Тройные диаграммы

температуре Tk соответствует отрезку d′n′ (или dn в проекции). Количества фаз в сплаве при данной температуре, согласно правилу рычага, равны

При дальнейшем понижении температуры от Тk до Т2 состав α изменя­ ется по кривой n′2′ (nN в проекции), а состав жидкой фазы – по кривой d′4′ (d4 в проекции). В процессе кристаллизации сплава конода скользит по фи­ гуративной линии сплава и при этом поворачивается в сторону более легко­ плавкого компонента. Кристаллизация сплава N закончится при температуре T2, когда все кристаллы α будут иметь состав исходного сплава. При этом последнее положение коноды соответствует отрезку 2′4′ (или N4 в проекции).

Рисунок 2.7 ­ Изменение составов жидкой и твердой фаз при кристаллизации

Вторую стадию кристаллизации сплава можно записать в виде реакции:

T1−T2

Ж1′−4′ ® α3′−2′,

30

или в проекциях

T1−T2

Ж3−N → αN4.

При дальнейшем охлаждении до комнатной температуры Тком в сплаве N не происходит фазовых превращений.

Кривая охлаждения сплава N и структура его после равновесной кри­ сталлизации представлены на рисунке 2.8,а и б. При реальных скоростях кристаллизации отливок или слитков выравнивающая диффузия в твердой фазе протекает не полностью и в образующихся кристаллах α­твердого рас­ твора возникает внутрикристаллитная ликвация, которую можно выявить травлением шлифа (рисунок 2.8,в). Для устранения ликвации проводят от­ жиг­гомогенизацию при температурах, близких к солидусу сплава. В резуль­ тате этого отжига состав во всех участках α­кристаллов выравнивается и со­ ответствует составу сплава. Структура после гомогенизационного отжига аналогична структуре сплава после равновесной кристаллизации (рисунок

2.8,б).

Рисунок 2.8 – Кривая охлаждения сплава N (а) и его структура после равновесной кристаллизации или гомогенизационного отжига (б) и после литья (в)

Аналогично сплаву N кристаллизуются другие сплавы этой системы. Необходимо отметить, что все сплавы, фигуративная точка которых

расположена на одной изотерме ликвидуса, начинают кристаллизоваться при одной и той же температуре. Так, кристаллизация сплавов, находящихся на изотерме ликвидуса аb (см. рисунок 2.3,а), начинается при 950оС.

Все сплавы, расположенные на одной изотерме солидуса, заканчивают кристаллизацию так же при одной и той же температуре. Например, кристал­ лизация сплавов, фигуративная точка которых расположена на изотерме со­ лидуса cd (см. рисунок 2.3,б), заканчивается при 700оС.

Имея экспериментально построенные или теоретически рассчитанные изотермы ликвидуса и солидуса системы, можно определить температуры

31

начала и конца кристаллизации любого тройного сплава. Например, сплав N начинает кристаллизоваться при 935 оС (см. рисунок 2.3,а), а заканчивает ­ при 840 оС (см. рисунок 2.3,б).

Изотермические сечения диаграммы состояния тройной системы по­ зволяют получать все необходимые сведения о составах вступающих в рав­ новесия фаз и об их относительных количествах при данной температуре.

Диаграмма состояния в настоящее время – это продукт эксперимен­ тальной работы, теоретическое построение ее еще недостижимо.

Построение тройных систем обычно осуществляют путем исследова­ ния процессов, происходящих при нагреве и охлаждении сплавов, фигура­ тивные точки состава которых находятся на определенной прямой, прове­ денной внутри концентрационного треугольника (например, на прямой pq на рисунке 2.9 или Bk на рисунке 2.10). В результате исследований, проведен­ ных, например, методом термического анализа, определяют температуры фа­ зовых превращений в сплавах и строят политермические разрезы диаграмм состояния.

На политермических разрезах имеются линии температур фазовых пре­ вращений, которые делят разрез на определенные фазовые области. На пред­ ставленных разрезах (рисунки 2.9 и 2.10) верхняя линия – линия ликвидуса твердого раствора α, а нижняя – линия солидуса. Между этими линиями на­ ходится область двухфазного состояния сплавов. Выше линии ликвидуса и ниже линии солидуса расположены области жидкого или твердого раствора соответственно.

По политермическому разрезу нельзя определить количество равновес­ ных фаз в сплаве в определенный момент кристаллизации или плавлении, так как коноды, соединяющие фигуративные точки равновесных фаз, в общем случае не находятся в плоскости разреза.

Рисунок 2.9 ­ Построение политермического разреза pq

32

Рисунок 2.10 ­ Построение политермического разреза kB

На политермическом разрезе можно определить только температуры начала и конца кристаллизации сплавов. Эти сведения являются очень важ­ ными при выборе оптимальных режимов плавки, литья, горячей деформации и термической обработки.

Лекция 6

План лекции

Диаграммы состояния систем с экстремальными складками и точками на поверхностях ликвидуса и солидуса.

Диаграмма состояния системы с бинодальной поверхностью. Системы с упорядоченными твердыми растворами. Реальные системы Nb­Mo­W и Au­Ni­Pd.

2.2. Диаграммы состояния систем с экстремальными складками и точками на поверхностях ликвидуса и солидуса

Образованию непрерывного ряда тройных твердых растворов удовле­ творяет не только рассмотренный нами тип диаграммы состояния (лекции 4 и

33

5). Число возможных простейших их разновидностей при трех компонентах значительно больше, чем для двойной системы.

Если в одной из двойных систем (например, В­С, рисунок 2.11) на кри­ вых ликвидуса и солидуса имеется точка минимума m′, то на поверхностях ликвидуса и солидуса в пространственной диаграмме состояния появляется соответствующая складка.

Рисунок 2.11 – Диаграмма состояния тройной системы с экстремальными складками

О характере поверхностей ликвидуса и солидуса в области этой склад­ ки можно судить по политермическому разрезу Аm, на котором кривые лик­ видуса и солидуса не касаются. Все тройные сплавы, в том числе и разреза Аm (за исключением двойного сплава, фигуративная точка которого m), кри­ сталлизуются в интервале температур между поверхностями ликвидуса и со­ лидуса и на кривых охлаждения имеют по две критические точки.

Рассмотрим три основных типа разновидностей диаграмм состояния с экстремальными точками на поверхностях ликвидуса и солидуса:

а) с максимальной точкой; б) с минимальной точкой; в) с седловидной точкой.

Остальные разновидности диаграмм состояния не представляют ничего принципиально нового.

Диаграмма состояния типа а, с максимальными точками на поверхно­ стях ликвидуса и солидуса в самой тройной системе А­В­С и на кривых лик­ видуса и солидуса двойных систем А­В, В­С и А­С показана на рисунке 2.12 в пространстве и проекциях.

34

Поверхности ликвидуса и солидуса тройной системы имеют семь об­ щих точек: A′, B′, C′, m1′, m2′, m3′ и M′ (на проекции диаграммы состояния точки A, B, C, m1, m2, m3 и M). Жидкая и твердая α фазы, находящиеся в равновесии при температуре максимума ТМ′, являются одинаковыми по со­ ставу. При температуре ТМ′ система ведет себя как однокомпонентная. Сплав, отвечающий по составу точке М′ (точка М на рисунке 2.12,б), затвердевает при постоянной температуре. При всех прочих температурах двухфазного равновесия Ж α составы сосуществующих фаз в тройной системе различа­ ются.

Рисунок 2.12 – Пространственная диаграмма состояния тройной системы с непрерывным рядом твердых растворов с максимальной точкой на поверхностях ликвидуса и солидуса (а) и проекция диаграммы состояния на плоскость концентрационного треугольника (б)

Представление об изотермических сечениях рассматриваемой диа­ граммы состояния дает рисунок 2.12,б, на котором показаны сечения, отве­ чающие температурам максимумов M′, m1′, m2′ и m3′. Изотермы ликвидуса изображены на рисунке сплошными кривыми, а изотермы солидуса – пунк­ тирными. Изотермическое сечение, отвечающее температуре максимума ТМ′, вырождается в точку М. В точках, отвечающих максимумам в двойных сис­ темах m1, m2 и m3, изотермы ликвидуса и солидуса имеют общую точку, в ко­ торой они касаются друг друга.

Политермические разрезы диаграммы состояния представлены на ри­ сунке 2.13. Положение вертикальных плоскостей показано в виде линий Аm3

и kg.

35

На поверхностях ликвидуса и солидуса тройной системы может также встречаться точка минимума М′ (рисунок 2.14). Сплав М, отвечающий по со­ ставу этой точке, на кривой охлаждения имеет одну критическую точку. Эта диаграмма принципиально не отличается от рассмотренной выше.

Диаграмма состояния системы с седловидной точкой на поверхностях ликвидуса и солидуса изображена на рисунке 2.15. Седловидная точка М′ ­ это общая точка обеих поверхностей. В одних направлениях она является минимальной точкой поверхностей, в других – максимальной. В аналитиче­ ской геометрии ее поэтому называют также точкой минимакса. В этой точке, как и в точках максимума и минимума (см. рисунки 2.12­2.14), система ведет себя как однокомпонентная.

Рисунок 2.13 ­ Изотермические разрезы Аm3 и kg диаграммы состояния, представленной на рисунке 2.12.

Рисунок 2.14 – Диаграмма состояния с не­ прерывным рядом твердых растворов и с минимальной точкой на поверхностях лик­ видуса и солидуса

36

Рисунок 2.15 – Диаграмма состояния с непрерывным рядом твердых растворов и с седловидной точкой на поверхностях ликвидуса и солидуса

Изотермический разрез, проходящий в диаграмме состояния через сед­ ловидную точку М′, показан на рисунке 2.16,б.

Рисунок 2.16 – Построение изотермического разреза при температуре седловидной точки М′(а) и изотермический разрез (б)

37

Кривые ι1М′, ι2М′, ι3М′ и ι4М′ являются изотермами ликвидуса, а кри­ вые s1M′, s2M′, s3M′ и s4M′ ­ изотермами солидуса. Эти же изотермы показаны на поверхностях ликвидуса и солидуса (рисунок 2.16,а). Видно, что часть по­ верхности ликвидуса и часть поверхности солидуса системы находятся выше горизонтальной плоскости. Другие их части лежат ниже этой плоскости.

2.3. Диаграмма состояния системы с бинодальной поверхностью

Диаграмма состояния тройной системы А­В­С с бинодальной поверх­ ностью ak′k1b представлена на рисунке 2.17. Для этой системы помимо би­ вариантного равновесия Ж α характерно равновесие двух твердых раство­ ров α1α2 (расслоение в твердом состоянии). Точка k′ ­ критическая точка в двойной системе А­В.

Кривая k′k1 делит поверхность ak′k1b на две части: ak′k1 и bk′k1. Каждая из этих меньших поверхностей изображает составы насыщенных один отно­ сительно другого твердых α1 и α2­растворов в сплавах области аk1b при тем­ пературах от Тk′ до комнатной Ткомн.. Растворы α1 и α2 имеют одинаковую кристаллическую структуру и отличаются один от другого только составом.

Рассмотрим фазовые превращения, протекающие в сплавах при пони­ жении температуры, используя проекцию диаграммы состояния на плоскость концентрационного треугольника (рисунок 2.18,а). Сплав М принадлежит области akk1. Он имеет три критические точки. Точка 1 находится на поверх­ ности ликвидус, точка 2 – на поверхности солидуса α­раствора. Точка 3 при­ надлежит бинодальной поверхности. Кривая охлаждения сплава М приведе­ на на рисунке 2.18,б.

Рисунок 2.17 – Диаграмма состояния тройной системы с бинодальной поверхностью

38

Рисунок 2.18 – Проекция диаграммы состояния системы с бинодальной поверхностью (а) и кривые охлаждения сплавов (б)

При температуре ниже Т3 из α1­кристаллов, богатых компонентом А, начинают выделяться α2­кристаллы, богатые компонентом В. При пониже­

нии температуры от Т3 до Ткомн. Составы α1 и α2 изменяются.

Сплав N (рисунок 2.18,а), фигуративная точка которого расположена на кривой kk1, также имеет три критические точки. При температуре ниже Т6 α­кристаллы расслаиваются на микрообъемы разного состава, обогащенные соответственно компонентами А и В. Чем ниже температура (относительно бинодальной поверхности ak′k1b), тем больше разница в составах α1­ и α2­ кристаллов (микрообъемов).

2.4. Диаграмма состояния тройной системы с упорядоченными твердыми растворами

Диаграмма состояния тройной системы А­В­С с упорядоченными твер­ дыми α′­растворами изображена на рисунке 2.19. Наряду с равновесием Ж α в этой системе наблюдается равновесие неупорядоченного α­ и упоря­ доченного α′­ растворов, т.е. α α′.

В неупорядоченном твердом растворе атомы компонентов А, В и С беспорядочно располагаются по узлам кристаллической решетки. Упорядо­ ченный раствор характеризуется закономерным расположением атомов ком­ понентов в узлах кристаллической решетки. Максимальную степень дальнего порядка в двойной системе В­С имеет сплав стехиометрического состава

BmCn.

39