Тройные диаграммы

Федеральное агентство по образованию Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет»

Институт цветных металлов и материаловедения

Краснова Е.В., Биронт В.С.

ТРОЙНЫЕ И МНОГОКОМПОНЕНТНЫЕ СИСТЕМЫ

Красноярск

2008

Федеральное агентство по образованию Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет»

Институт цветных металлов и материаловедения

Краснова Е.В., Биронт В.С.

ТРОЙНЫЕ И МНОГОКОМПОНЕНТНЫЕ СИСТЕМЫ

Текст лекций

Красноярск

2008

Лекция 1

ВВЕДЕНИЕ

План лекции

Тройные и многокомпонентные системы в сочетании с диаграмма­ ми состав­свойство – основа современной теории легирования и создания сплавов с заданными эксплуатационными характеристи­ ками.

Роль диаграмм состояния тройных и многокомпонентных систем в деятельности металлургов.

Представление о темпах изучения тройных и многокомпонентных систем разных типов.

Значение работ Д.А. Петрова, А.М. Захарова и других ученых в об­ ласти фазовых равновесий.

Двойные сплавы встречаются в практической деятельности сравни­ тельно редко. Почти все промышленные сплавы содержат три, четыре и большее число компонентов. Одно это заставляет обратиться к изучению за­ кономерностей в изменении свойств в зависимости от состава в тройных и многокомпонентных сплавах.

Экспериментальные исследования показывают, что нельзя судить о свойствах тройного сплава по суммарным свойствам двойных сплавов. Часто два добавленных компонента реагируют друг с другом и дают новое химиче­ ское соединение, сообщающее новые свойства тройному сплаву. Третий до­ бавляемый компонент может изменять растворимость второго компонента в первом, уменьшая ее или увеличивая. В свою очередь с изменением раство­ римости одного компонента в другом связано изменение физических и меха­ нических свойств сплавов.

Большое количество качественно различных тройных сплавов можно составить, даже если ограничиться только двадцатью важнейшими металла­

ми:n = 20×19×18 = 1140. Учитывая, что в пределах одной системы можно ме­

1× 2×3

нять свойства, изменяя количественные соотношения компонентов, то число возможных вариантов значительно возрастает.

Одна из задач современного металловедения ­ создание новых метал­ лических материалов с улучшенными технологическими и эксплуатацион­ ными характеристиками. В связи с этим большое значение придается как

3

экспериментальным исследованиям фазовых равновесий в тройных и много­ компонентных металлических системах, так и теоретическому обобщению накопленного материала по этим системам и установлению общих законо­ мерностей в их строении.

Особыми разделами теории диаграмм состояния тройных и многоком­ понентных систем стали: прогноз диаграмм состояния; изображение диа­ грамм состояния многокомпонентных систем в пространстве и проекциях; расчет диаграмм состояния.

Академик Курнаков Н.С. отмечал: «…без геометрических представле­ ний понимание явлений природы и обладание производственными процесса­ ми было бы невозможно…».

Построение диаграмм состояния путем экспериментальных исследова­ ний – это сложный и трудоемкий процесс. Для этого используют разнообраз­ ные методы физико­химического анализа: вакуумная металлография и дила­ тометрия, термический анализ, микрорентгеновский анализ, электронная микроскопия и др. Несмотря на трудности, работа в этом направлении ведет­ ся во всех промышленно развитых странах мира. Разрабатывают вопросы, связанные с созданием банков данных по диаграммам состояния, термодина­ мическим свойствам компонентов, типам кристаллических структур, фаз и т.п.

Применение аналитического представления хотя бы отдельных границ фазовых областей на диаграммах состояния позволяет сократить объем экс­ периментальной работы. Академик А.А. Бочвар указывал, что «…разработку соответствующих уравнений отдельных кривых диаграмм состояния надо рассматривать как одну из важнейших задач теоретического металловеде­ ния». Поэтому в шестом разделе текста лекций уделено внимание аналитиче­ скому описанию фазовых равновесий в тройной системе и расчетным мето­ дам с использованием современной компьютерной техники.

Диаграммы состояния тройных и многокомпонентных систем дают важную информацию о фазовом составе сплавов в равновесных (или близких к ним) условиях, а также о температурах начала и конца различных фазовых превращений. Металловеды и специалисты смежных областей используют эти сведения из диаграмм состояния при оптимизации технологии производ­ ства деформированных полуфабрикатов и отливок из сплавов. Знание крити­ ческих точек сплавов позволяет научно обоснованно подходить к выбору технологических режимов получения и последующей обработки сплавов.

Например, температурные режимы плавки и литья сплавов связаны с

их температурами ликвидуса (Тплавления= Тликвидуса + DТ, где DТ ­ заданный пе­ регрев). Из теории термической обработки металлов и сплавов известно, что температура солидуса определяет температуру гомогенизационного отжига литых сплавов (Тгом.отжига=0,9…0,95 Тсолидуса), а температуры солидуса и соль­ вуса – температуру нагрева деформированных полуфабрикатов или отливок под закалку (Тсольвуса< Тзакалки< Тсолидуса). Для многих цветных сплавов темпе­

4

ратура рекристаллизационного отжига, применяемого к деформированным полуфабрикатам, связана с температурой солидуса соотношением:

Трекр.отжига»0,4…0,8 Тсолидуса. Температура солидуса определяет температуру старения на максимальную твердость и прочность термически упрочняемых сплавов, закаливаемых без полиморфного превращения (Топт.старения=0,5…0,6 Тсолидуса). Температура солидуса является также важнейшей характеристикой конструкционных сплавов, предназначенных специально для работы при по­ вышенных температурах (жаропрочные сплавы). Рабочие температуры таких сплавов определяются их температурами плавления (Трабоч. =0,5…0,7 Тсол или выше), а последние – химическим составом сплавов. Известно также, что сплавы, имеющие в своей структуре эвтектику, обладают хорошими литей­ ными свойствами, а сплавы – твердые растворы хорошо деформируются и т.д.

Тройные и многокомпонентные системы необходимы не только метал­ ловедам, но и металлургам для понимания металлургических реакций в штейнах и шлаках, разработки и усовершенствования металлургических процессов получения металлов и соединений, их очистки от примесей. Кроме того, их используют специалисты в области огнеупорных материалов и хи­ мики­технологи, работающие в области производства удобрений, минераль­ ных кислот, солей и т.д. Известно, что образование ряда горных пород связа­ но также с процессами превращения в сложных системах. Поэтому одной из задач подготовки высококвалифицированных специалистов является глубо­ кое изучение тройных и многокомпонентных систем. Для этого необходимо шире знакомить студентов с теоретическими основами и накопленным прак­ тическим опытом в этой области, несмотря на кажущуюся сложность в этих вопросах, которая до сих пор отпугивает многих.

Представление о темпах изучения тройных и многокомпонентных ме­ таллических систем разных типов почти за три десятилетия, когда этим во­ просам придавалось большое значение, дает таблица.

Таблица Число построенных (очень редко полностью, а обычно в виде одного или нескольких се­ чений) в мире диаграмм состояния тройных и многокомпонентных металлических систем

Значительно меньшее число построенных диаграмм состояния четвер­ ных и более сложных металлических систем, по­видимому, обусловлено не­

5

сколькими причинами: необходимостью изучения более простых систем, большой сложностью их графического изображения по сравнению с двой­ ными и тройными системами, недостаточной разработкой отдельных вопро­ сов теории и, наконец, просто недооценкой роли многокомпонентных систем в металловедении и смежных областях.

Необходимо отметить заслуги известных ученых в области создания теории и экспериментальных исследованиях тройных и многокомпонентных систем. Так, многолетние работы академика Н.С. Курнакова и его школы (Г.Г. Уразов, С.Ф. Жемчужный, С.А., Погодин, В.Я. Аносов, Н.В. Агеев., Д.А. Петров и др.) привели к созданию стройного учения о физико­ химическом анализе сплавов и установлению целого ряда закономерностей свойств сплавов от их состава. В работах Петрова Д.А. рассмотрены условия термодинамического равновесия в системах. Развиты новые положения в изображениях различных диаграмм состояния в пространстве и проекциях.

Захаров А.М. подробно рассмотрел фазовые превращения в различных тройных сплавах и их структуру, изложил общие закономерности строения диаграмм состояния многокомпонентных систем с промежуточными фазами, рассмотрел новую классификацию промежуточных фаз и на ее основе – классификацию тройных и четверных металлических систем с этими фазами.

Российскими и зарубежными учеными достаточно полно разработаны методы расчета линий фазовых равновесий в двойных и тройных металличе­ ских системах. Эти расчеты основаны на определенных модельных представ­ лениях о жидких и твердых растворах, упорядоченных фазах и соединениях. Следует отметить успехи в этом направлении таких ученых как Л. Кауфман, Маклеллан, Д.С. Каменецкая, И.Л. Аптекарь и др.

Достаточно давно при изучении свойств металлических сплавов в зави­ симости от состава применяют математическое планирование эксперимента, а именно планирование на симплексе. Одним из ведущих специалистов в этой области был Ф.С. Новик. Большой известностью пользуются его работы по построению математической модели поверхности ликвидуса системы Ni­ Ni3Al­Ni3Nb.

Настоящий текст лекций по дисциплине «Тройные и многокомпонент­ ные системы» написан для студентов при подготовке бакалавров по направ­ лению 150100 – Металлургия. Профиль 5. «Металловедение и термическая обработка металлов». Учебным планом предусмотрено проведение восьми практических занятий, выполнение четырех задач и самостоятельное изуче­ ние теоретического материала раздела 6, проведение двух промежуточных и одного итогового контрольных мероприятий. Заканчивается обучение этой дисциплины получением зачета.

Дисциплина «Тройные и многокомпонентные системы» базируется на широком использовании знаний дисциплин: «Начертательная геометрия», «Неорганическая химия», «Физическая химия», «Материаловедение», «Ос­ новы кристаллографии», «Кристаллохимия», «Физика металлов».

6

В свою очередь знание тройных и многокомпонентных систем необ­ ходимо при изучении последующих дисциплин специальности: «Механиче­ ские свойства металлов», «Теория термической обработки металлов», «Рент­ генография и электронная микроскопия», «Специальные стали и сплавы», «Металловедение и технология термической обработки цветных сплавов».

Задачи изучения дисциплины основаны на необходимости получения выпускником знаний, умений, навыков в соответствии с требованиями ФГОС ВПО, на основе которых формируются соответствующие компетенции.

Студенты после изучения дисциплины «Тройные и многокомпонентные системы» должны иметь представление: о роли диаграмм состояния тройных и многокомпонентных систем в теории легирования и создании сплавов с за­ данными свойствами, об определении температур плавления и кристаллиза­ ции сплавов, критических точек превращений в твердом состоянии, знание которых позволяет научно обоснованно подходить к выбору технологиче­ ских режимов получения и последующей обработки сплава.

Они должны знать:

­изображение составов трехкомпонентных сплавов и особенности состава различных групп сплавов; правило рычага и центра тяжести;

­классификацию диаграмм состояния тройных систем;

­изображение основных типов диаграмм состояния тройных систем в про­ странстве и проекциях;

­этапы построения изотермических и политермических разрезов диаграмм состояния тройных систем;

­фазовые превращения в тройных сплавах при охлаждении и нагреве;

­принцип сингулярной триангуляции;

­пути использования компьютерных технологий при решении физико­ химических задач для тройных и многокомпонентных сплавов.

Совокупность знаний, умений и навыков должна обеспечить формиро­ вание у выпускника следующих общепрофессиональных (ОПК) и инстру­ ментальных (ИК) компетенций: умение использовать тройные и многоком­ понентные системы при выборе сплавов для деталей машин и механизмов, а также литых и деформированных заготовок (ОПК); умение использовать теоретические основы тройных и многокомпонентных систем для научного обоснования выбора видов и режимов термической обработки металлов и сплавов (ОПК); владение теоретическими основами структурообразования для оценки технологичности тройных и многокомпонентных сплавов (ОПК); владение методами анализа и синтеза для построения изотермических и по­ литермических разрезов тройных и многокомпонентных систем (ИК); умение использовать политермические и изотермические разрезы диаграмм состоя­ ния тройных и многокомпонентных систем при анализе процессов, разви­ вающихся при термической обработке сплавов и других технологических процессах (ИК).

7

РАЗДЕЛ 1. ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТРОЙНЫХ СИСТЕМ

Лекция 2

План лекции

Геометрические основы изображения тройных и многокомпонент­ ных систем. Концентрационный треугольник.

Особенности состава различных групп тройных сплавов. Возможные фазовые состояния трехкомпонентных сплавов. Правило рычага.

1.1.Геометрические основы изображения тройных систем. Концентрационный треугольник

Диаграмму состояния двухкомпонентной системы изображают в плос­ кости. В этом случае осями координат служат т емперат ура и концент рация компонент ов, образующих сист ему. Трех­, четырех­ и более компонентную систему представить в плоскости невозможно, необходимо пространство.

Например, для изображения диаграммы состояния тройной системы А­ В­С в координатах состав – температура требуется трехмерное пространство, поскольку составы всех возможных тройных сплавов между компонентами А, В и С можно изобразить только на плоскости. Для этих целей обычно ис­ пользуют плоскость, ограниченную сторонами правильного (равносторонне­ го) треугольника (рисунок 1.1,а). Такой треугольник называют концент раци­ онным. В вершины концентрационного треугольника помещают компоненты А, В и С, стороны АВ, ВС и АС служат для изображения составов двухком­ понентных сплавов. Фигуративные точки трехкомпонентных сплавов разных составов находятся внутри треугольника. Далее к плоскости концентрацион­ ного треугольника восстанавливают перпендикулярные оси, вдоль которых откладывают значения температуры (рисунок 1.1,б). На вертикальных гранях треугольной призмы располагаются диаграммы состояния двухкомпонент­ ных систем А­В, В­С и А­С. Диаграмма состояния тройной системы занимает объем этого трехгранного тела. В практической деятельности пользуются, как правило, проекцией диаграммы состояния на плоскость концентрацион­ ного треугольника и ее горизонтальными (изотермическими) и вертикальны­ ми (политермическими) разрезами.

8

Состояние сплава на диаграмме состояния характеризуют фигурат ив­ ной т очкой, которая находится на вертикальной прямой (фигурат ивной ли­ нии сплава), проходящей через точку состава сплава. При изменении темпе­ ратуры исследуемого сплава фигуративная точка его будет перемещаться по этой вертикали.

Рисунок 1.1 ­ Концентрационный треугольник АВС (а) и проведенные к нему оси температуры (б)

Для обозначения состава тройного сплава, состоящего из компонентов A, B и C, можно использовать два свойства равностороннего треугольника.

Первое свойст во диктует, что в равностороннем треугольнике (рисунок 1.2,а) сумма трех отрезков перпендикуляров Ма, Мb, Мс, опущенных из лю­ бой фигуративной точки, например М, лежащей внутри треугольника АВС, на его стороны, является величиной постоянной и равной высоте треуголь­ ника ( Ма + Мb + Мс = Bk = Ag =Ch). Следовательно, за единицу или 100 % содержания всех компонентов в тройном сплаве может быть взята высота треугольника.

а

б

Рисунок 1.2 ­ Концентрационный треугольник системы А – В – С: а ­ определение состава сплава М по сумме трех перпендикуляров; б­ определение состава сплава М по сумме трех отрезков на сторонах треугольника

9