1097

Светлой памяти Михаила Васильевича Захарова посвящается

ПРЕДИСЛОВИЕ

Разделы ’’Диаграммы состояния двойных систем” и Диаграммы состояния тройных систем” - ведущие в курсах ’’Металлография и ’’Металловедение” , изучаемых студентами разных металлургических специальностей. Диаграммы состояния многокомпонентных металли­ ческих систем лежат в основе современной теории сплавов. Умение пользоваться диаграммами состояния при решении различных практи­ ческих задач - необходимая составная часть подготовки современного инженера-металлурга.

Настоящее пособие написано по курсу лекций, который читают в Московском институте стали и сплавов судентам, специализирующим­ ся по металловедению и термической обработке цветных металлов (специальность 1107) и композиционным и порошковым материалам (специальность 1110). Пособие обобщает многолетний опыт кафедры металловедения цветных металлов по преподаванию разделов ’’Ди­ аграммы состояния двойных систем” и ’’Диаграммы состояния трой­ ных систем” в курсе ’’Металлография” , а также курса ’’Фазовые рав­

По сравнению со 2-м изданием (1978 г.) в пособие внесены сле­ дующие изменения и дополнения. Из гл. 1 исключен § 3, посвященный построению диаграмм состояния двойных систем методом термоди­ намического потенциала, поскольку этот материал рассматривается в курсе ’’Физика металлов” (в разделе ’’Термодинамика сплавов” ). Впервые рассмотрена новая классификация двойных и тройных ме­ таллических систем и их диаграмм состояния (гл. 1, § 3; гл. 8, § 33 и гл. 12, § 42). В гл. 2 включен раздел о механизмах распада пересыщен­ ных твердых растворов (§ 6), в гл. 3 - о механизме эвтектической кристаллизации и строении эвтектик (§ 9).

Существенно переработаны гл. 4 и 12, посвященные диаграммам состояния двойных и тройных систем с промежуточными фазами: ис­ ключено описание различных групп промежуточных фаз и условий их образования (эти вопросы рассматриваются в других разделах курсов Металлография” и ’’Физика металлов” ), дана их общая клас­ сификация, более подробно рассмотрена триангуляция тройных сис­ тем с промежуточными фазами переменного состава. Наконец, допол­ нены гл. 7 и 15, посвященные общим закономерностям строения ди­ аграмм состояния двойных и тройных систем.

Как и в предыдущих изданиях, главное внимание уделено анализу

фазовых превращений и процессам структурообразования в различных сплавах, построению изотермических и политермических разрезов, вопросам триангуляции тройных систем с промежуточными фазами разной природы, а также закономерностям геометрического строения диаграмм состояния.

При анализе фазовых превращений использован общепринятый в учебной литературе подход, согласно которому линии и поверхности фазовых равновесий на диаграммах состояния двойных и тройных систем трактуются как линии и поверхности, отвечающие температу­ рам начала и конца соответствующих фазовых превращений. По су­ ществу - это чисто методический прием, который не является строгим с термодинамической точки зрения, однако он существенно облегчает рассмотрение и запись процессов, протекающих в сплавах при изме­ нении температуры, и практическое использование диаграмм состоя­ ния.

Автор благодарен коллективу преподавателей кафедры металло­ ведения Днепропетровского металлургического института и зав. кафедрой проф., докт. техн. наук Ю.Н.Тарану за замечания, сделанные при рецензировании рукописи.

Диаграммы состояния двойных и тройных металлических систем в сочетании с диаграммами состав - свойство являются основой современной теории легирования и создания сплавов с заданными эксплуатационными характеристиками.

Для металловедов и специалистов смежных областей диаграммы состояния - это база для изыскания новых и улучшения существующих сплавов и оптимизации технологии производства из них деформирован­ ных полуфабрикатов и отливок. Для металлургов диаграммы состоя­ ния - база для разработки и усовершенствования металлургических процессов получения металлов и соединений и их очистки от примесей.

Диаграммы состояния несут в себе важную информацию о фазо­ вом составе сплавов в равновесных (или близких к ним) условиях, а также о температурах начала и конца различных фазовых превраще­ ний. Знание критических точек сплавов позволяет научно обоснованно подходить к выбору технологических режимов получения и после­ дующей обработки сплавов.

Известно, что температурные режимы плавки и литья сплавов связаны с их температурами ликвидуса (ГПлав = *Ликв + A f, где Д t - за­ данный перегрев), температура солидуса определяет температуру гомогенизационного отжига литых сплавов (Тгом отж >0,9 0,95 Тсол), а температуры солидуса и сольвуса - температуру нагрева деформи­ рованных полуфабрикатов или отливок под закалку (fC0JlbB < *зак < < *сол)- Для многих цветных сплавов температура рекристаллизационного отжига связана с температурой солидуса (Трекр<отж % 0,7 * 0,8 Тсол). Наконец, температура солидуса определяет температуру

старения на максимальную твердость и прочность термически упроч­

Температура солидуса является важнейшей характеристикой кон­ струкционных сплавов, предназначенных специально для работы при повышенных температурах (жаропрочные сплавы), поскольку рабочие температуры таких сплавов определяются их температурами плав­ ления (Траб = 0,5 —0,7 Тсол или выше), а последние - степенью леги­ рования, т.е. химическим составом сплавов.

Для студентов, специализирующихся в области металловедения и термической обработки цветных металлов и сплавов, порошковой металлургии и в других смежных областях, умение пользоваться диаграммами состояния реальных металлических систем при решении

различных практических задач является необходимой составной частью инженерной подготовки.

Ч А С Т Ь 1. ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ ДВОЙНЫХ СИСТЕМ

Г д о в а 1. ОСНОВЫ УЧЕНИЯ О ФАЗОВЫХ РАВНОВЕСИЯХ

§1. Основные понятия

Вучении о фазовых равновесиях широко используют понятие сис­ темы.

Под материальной системой вообще понимают некоторую часть

пространства, заполненную веществом, которую выделяют для како­ го-либо исследования. Остальное окружающее пространство называют внешней средой. Материальная система может состоять из нескольких частей. Если эти части обмениваются энергией, то такую систему называют термодинамической, если возможен обмен не только энер­ гией, но и веществом, то - физико-химической.

Вметалловедении и металлургии физико-химическими (или метал­ лическими) системами являются чистые металлы и сплавы между ними, т.е. простые и сложные по составу вещества, в которых при изменении внешних условий (температуры и давления) могут протекать различные превращения (например, плавление, переход из одной кристаллической формы в другую и пр.). Металлические сплавы обра­ зуют не только металлы, но и металлы с неметаллами.

Взависимости от характера связи системы с внешней средой разли­ чают изолированные, закрытые и открытые системы. Изолированные

системы не обмениваются с окружающей средой ни энергией, ни веществом; закрытые системы обмениваются с окружающей средой только энергией и, наконец, открытые системы - энергией и вещест­ вом.

Физико-химические системы, изучаемые в металловедении, обычно относятся к закрытым или открытым. Примео закрытой системы - металл или сплав в эвакуированной и запаянной ампуле, изготовленной из Материала, который не взаимодействует с содержимым ампулы, пример открытой системы - металл или сплав, взаимодействующий с 01фужающей средой (например, печной атмосферой).

Физико-химической или металлической системой называют также

совокупность бесконечно большого числа сплавов, которые можно получить при сплавлении двух или большего числа металлов и неме­ таллов (например, системы Fe-C, Al-Cu-Mg, Mg-Al-Zn-Mn и др.). Таким образом, металлическая система - это чистый металл или от­ дельный сплав (заданного состава), или совокупность бесконечно большего числа сплавов, образованных данными металлами (и не­ металлами).

Металлические системы могут состоять из одной фазы (гомогенные системы) или нескольких фаз (гетерогенные системы).

Фазой называют гомогенную 'Часть гетерогенной системы или сово­ купность нескольких частей, одинаковых по химическому составу, кристаллической структуре и свойствам, которые не зависят от массы фазы. В гетерогенной системе фазы могут находиться в различных агрегатных состояниях - твердом, жидком или газообразном. Разные фазы отделены одна от другой поверхностями раздела или межфазны­ ми границами.

Межфазные границы между твердыми фазами могут быть когерентными, полукогерентными и некогерентными. Когерентная граница - это область непрерывного перехода кристаллической решетки одной фазы в кристаллическую решетку другой фазы, т.е. область сопряжения двух разных кристаллических решеток. При частич­ ном нарушении когерентности образуются полукогерентные границы. Некогерент­ ные границы разделяют твердые фазы с разными кристаллическими решетками, которые не сопрягаются между собой. Межфазные границы разных типов образу­ ются при фазовых превращениях, протекающих в сплавах в твердом состоянии.

Фазами в металлических сплавах могут быть отдельные металлы (и неметаллы), химические соединения и растворы на их основе. Любая гомогенная система всегда однофазна и ее химический состав иден­ тичен составу фазы. Наоборот, гетерогенная система всегда многофазна и ее фазы могут иметь как одинаковый, так и разные составы. Напри­ мер, расплав и кристаллы чистого металла - это две разные фазы од­ ного химического состава, а кристаллы твердого раствора на основе металла и химическое соединение - это две фазы разного состава.

Химический состав каждой фазы в металлическом сплаве определя­ ется концентрациями компонентов. Компоненты - это отдельные ве­ щества, способные существовать в изолированном виде, наименьшее число которых достаточно для образования всех фаз данной системы. В металлических сплавах компонентами обычно являются чистые ме­ таллы и неметаллы, а также химические соединения.

Число компонентов не обязательно равно общему числу отдельных веществ, способных образовывать систему, оно может быть меньше. Например, сплав AI + 5 % Mg2Si при комнатной температуре состоит из двух фаз - твердого раствора магния и кремния в алюминии и сое­ динения Mg2Si, но это не значит, что он четырехкомпонентный (Al, Мд, Si и Mg2Si), так как для образования его фаз достаточно алюминия и соединения Mg2Si, т.е. всего двух компонентов. Следовательно, ком­ понентами являются только те простые или сложные (по составу) вещества, наименьшее число которых достаточно для образования всех фаз системы. Иными словами, компоненты — это независимые инди­ видуальные вещества (или составные части) системы, число которых

может быть равно или меньше общего числа веществ, образующих систему.

ю