Тройные диаграммы

При температурах ниже точки плавления компонента С исчезают об­ ласти жидкой фазы и Ж+α. На изотермическом разрезе (рисунок 3.23,е) име­ ются три области: α­твердого раствора, α+β и β­твердого раствора. Две кри­ вые – это следы от пересечения горизонтальной плоскостью поверхностей сольвуса.

Лекция 11

План лекции

Политермические разрезы диаграммы состояния тройной системы с моновариантным перитектическим равновесием. Применение раз­ резов на практике.

Фазовые превращения в сплавах. Фазовый состав, структурные со­ ставляющие различных сплавов.

Металловеды используют в своей практической деятельности политер­ мические (вертикальные) разрезы.

Рассмотрим построение политермического разреза mn (рисунок 3.24). Этот разрез проходит через трехфазную область вблизи стороны АВ.

Вертикальная плоскость (рисунок 3.25) пересекает перитектическую кривую p1′p2′ и кривые максимальной растворимости a′c′ и b′d′ в точках y, x1 z1 соответственно.

Рисунок 3.24 – Положение вертикального разреза mn диаграммы состояния с моновариантным перитектическим равновесием

70

Рекомендуемые этапы построения политермических разрезов диаграмм состояния тройных систем рассмотрены ранее (см. лекцию 9).

Характерные сплавы на рисунках 3.24 и 3.25 обозначены цифрами 1, 2, 3, 4, 5 и 6. Через эти точки (рисунок 3.25) проведены вертикальные прямые. Видно, что плоскость пересекает линии двойных систем А ­ С и В ­ С в точ­ ках p, q, k и g с. Кривая py принадлежит поверхности ликвидуса тройного α­ раствора, а кривая yk – поверхности ликвидуса тройного β­раствора.

Вертикальная плоскость пересекает поверхности солидуса α­ и β­ растворов (кривые qx1 и z1g – следы от сечения плоскостью).

Для сплавов, фигуративная точка которых находится на отрезке 45, со­ лидусом является линейчатая поверхность конца кристаллизации по перитек­ тической реакции Ж+β→α. В разрез попадает кривая x1z1, принадлежащая этой поверхности.

Рисунок 3.25 – Построение политермического разреза на пространственной диаграмме состояния A­B­C

Вертикальная плоскость пересекает промежуточную поверхность нача­ ла кристаллизации по перитектической реакции Ж+β→α по кривой yz1.

71

Для сплавов, фигуративная точка которых лежит на отрезке 24, между поверхностями ликвидуса β­раствора и солидуса α­раствора расположена еще одна поверхность конца кристаллизации по перитектической реакции (на рисунке 3.25 кривая yx1 – след от сечения этой поверхности плоскостью).

Таким образом, на политермическом разрезе существует трехфазная область yz1x1y, ограниченная кривыми, принадлежащими трем линейчатым поверхностям.

Кривые x1x2 и z1z2 являются следами от сечения вертикальной плоско­ стью поверхностей сольвуса a1a′c′c1a1 и b1b′d′d1b1.

На рисунке 3.26 показан политермический разрез mn рассматриваемой диаграммы состояния в виде, который обычно приводится в литературе (по осям температуры и концентрации должны быть нанесены деления).

Рисунок 3.26 – Политермический разрез mn диаграммы состояния

Рассмотрим кристаллизацию сплава К, фигуративная точка которого находится на кривой максимальной растворимости ас (рисунок 3.27,б).

Фигуративная линия 0К сплава К пересекает поверхности диаграммы состояния в трех точках: 1, 2 и 3 (рисунок 3.27,а). Первая критическая точка принадлежит поверхности ликвидуса β­раствора, вторая точка – поверхности начала кристаллизации по перитектической реакции Ж+β→α, а третья точка

– поверхности конца кристаллизации по перитектической реакции, одновре­ менно являющейся поверхностью солидуса.

Превращение в сплаве К из жидкого состояния начинается при темпе­ ратуре несколько ниже Т1, соответствующей точке 1. При этом выделяются кристаллы тройного β­раствора состава примерно точки z1′ (на рисунке 3.27,а

показана конода 1z1′). В процессе кристаллизации от Т1 до Т2 состав β­ твердого раствора будет изменяться по кривой z1′z2′ (на поверхности солиду­

72

са), а жидкий раствор – по кривой 1y1′. В тот момент, когда жидкая фаза дос­ тигнет состава точки y1′, а β­твердый раствор ­ точки z2′, начинается превра­ щение по перитектической реакции Ж+β→α. Это превращение протекает пу­ тем взаимодействия твердого раствора β с жидкой фазой и образования α­ кристаллов.

Рисунок 3.27 – Кристаллизация сплава К

Перитектическое превращение происходит в интервале температур от Т2 до Т3, так как в этом случае вариантность системы равна с=3­3+1. Каждой температуре соответствует определенный состав фаз, устанавливаемый по­ ложением вершин конодного треугольника на кривых p1′p2′, a′c′ и b′d′. Состав жидкой фазы при этом изменяется по кривой y1′y2′, а состав β­раствора – по кривой z2′z3′.

Перитектическое превращение происходит до момента одновременно­ го исчезновения жидкой фазы и кристаллов β (последнее положение конод­ ного треугольника y2′x2′ z3′). Сторона x2′z3′ конодного треугольника пересека­ ет фигуративную линию 0К сплава К (примените правило центра тяжести и проверьте).

73

При температуре Т3 кристаллизация сплава заканчивается. Сплав нахо­ дится в твердом однофазном состоянии α.

Дальнейшее понижение температуры от Т3 до Тком. вызывает вторич­ ную кристаллизацию, т.е. из α­фазы будут выделяться вторичные кристаллы β. Составы этих фаз будут изменяться по кривым x2′x3 и z3′z4, принадлежа­ щим поверхностям сольвуса системы.

Кривая охлаждения сплава К с реакциями приведена на рисунке 3.28. Рассмотренные положения конод и конодных треугольников при кри­

сталлизации сплава К можно представить в виде их проекций на плоскость концентрационного треугольника (рисунок 3.27,б).

Таким образом, сплав К после кристаллизации имеет две структурные составляющие: α­кристаллы, образовавшиеся по перитектической реакции, и выделившиеся из них вторичные β­кристаллы.

Рисунок 3.28 – Кривая охлаждения сплава К

Количество каждой фазы можно определить по правилу рычага:

В тройных сплавах рассматриваемой системы, фигуративная точка ко­ торых принадлежит области p1bdp2p1 (рисунок 3.29), после выделения пер­ вичных кристаллов протекает перитектическая реакция Ж+β→α, которая в

74

зависимости от состава сплава заканчивается по разному: исчезновением жидкости (сплавы области abdca), первичных β­кристаллов (сплавы области p1acp2p1) или обеих исходных фаз (сплавы кривой ac, рассмотренный выше сплав К).

Кривая охлаждения сплава N с тремя критическими точками приведена на рисунке 3.29. Структура этого сплава будет состоять из первичных кри­ сталлов β, кристаллов α, образовавшихся по перитектической реакции, и вторичных α­ и β­кристаллов.

Сплав М имеет пять критических точек (см. кривую охлаждения, рису­ нок 3.29). В этом сплаве протекают все фазовые превращения, возможные в рассматриваемой системе. Структура сплава М состоит из двух структурных составляющих: кристаллов α и вторичных кристаллов β.

Рисунок 3.29 – Положение фигуративных точек сплавов M и N и кривые охлаждения сплавов

Сплавы, расположенные в областях Аp1p2СА и b1Bd1b1 (рисунок 3.30,б) кристаллизуются как α­ и β­растворы. Они в твердом состоянии не претерпе­

75

вают фазовых превращений и имеют на кривых охлаждения по две критиче­ ские точки (например, сплавы 1 и 2 на рисунке 3.30,б).

Рисунок 3.30 – Положение фигуративных точек тройных сплавов

Сплавы, фигуративная точка которых находится в области bb1d1db (сплав 3 на рисунке 3.30), имеют по три критические точки. Они также за­ канчивают кристаллизацию как β­растворы, но в результате вторичной кри­ сталлизации становятся двухфазными β+α.

Рисунок 3.31 – Кривые охлаждения сплавов

Кривые охлаждения сплавов 1, 2 и 3 показаны на рисунке 3.31.

76

Контрольные вопросы по подразделу 3.2

1.Нарисуйте в проекциях диаграмму состояния тройной системы А­В­С с моновариантным перитектическим равновесием Ж+β α, образованную двумя двойными системами А­В и В­С перитектического типа и системой А­ С с непрерывными рядами жидких и твердых растворов.

2.Какие би­ и моновариантные фазовые равновесия характерны для рассматриваемой системы?

3.Перечислите все поверхности этой диаграммы состояния.

4.Что собой представляет поверхность ликвидуса этой тройной систе­

мы?

5.Укажите проекции поверхностей ликвидусов α­ и β­растворов на плоскости концентрационного треугольника.

6.Что представляет собой поверхность солидуса рассматриваемой тройной системы А­В­С? Укажите проекции солидусов α­ и β­растворов на плоскости концентрационного треугольника.

7. Какие линейчатые поверхности имеет диаграмма состояния системы А­В­С? Покажите проекции этих поверхностей на плоскости концентраци­ онного треугольника.

8.Объясните, как образуется поверхность начала кристаллизации по перитектической реакции Ж+β→α?

9.Как образуется поверхность конца кристаллизации по перитектиче­ ской реакции Ж+β→α?

10.Что представляют собой поверхности сольвуса в системе А­В­С? Укажите их проекции на плоскости концентрационного треугольника. Какое значение они имеют?

11.Какую информацию можно получить из изотермического разреза диаграммы состояния рассматриваемой системы?

12. Какую информацию можно получить из политермического разреза диаграммы состояния?

13.Рассмотрите кристаллизацию сплавов, фигуративная точка которых находится в различных областях концентрационного треугольника диаграм­ мы состояния рассматриваемой тройной системы. Сколько критических то­ чек имеет каждый сплав? Нарисуйте кривые охлаждения сплавов. Укажите фазовый состав сплавов и их структуру при комнатной температуре.

14.Какие реальные металлические системы относится к подобному ти­ пу диаграмм состояния?

77

РАЗДЕЛ 4. ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СИСТЕМ С НОНВАРИАНТНЫМИ РАВНОВЕСИЯМИ

Лекция 12

План лекции

Изображение диаграммы состояния системы с тройной эвтектикой и практически полным отсутствием растворимости компонентов в твердом состоянии в пространстве и проекциях.

Политермические и изотермические разрезы, их использование на практике.

Фазовые превращения в сплавах. Фазовый состав, структурные со­ ставляющие различных сплавов.

4.1. Диаграмма состояния системы с тройной эвтектикой и практически полным отсутствием растворимости компонентов в твердом состоянии

Когда растворимость компонентов системы друг в друге в твердом со­ стоянии очень мала, то величиной этой растворимости можно пренебречь и считать, что в трехкомпонентных сплавах при различных температурах в рав­ новесии находятся не кристаллы твердых растворов, а кристаллы чистых компонентов. Диаграмма состояния для этого случая представлена на рисунке

4.1.

Ликвидус рассматриваемой системы состоит из трех поверхностей: по­ верхности ликвидуса компонента А ­ А′е1′Е′е3′А′; поверхности ликвидуса компонента В ­ В′е2′Е′е1′В′ и поверхности ликвидуса компонента С ­ С′е3′Е′е2′С′. Рассматриваемые три поверхности пересекаются попарно по кри­ вым двойных эвтектик е1′Е′, е2′Е′ и е3′Е′. На этих кривых жидкий раствор ока­ зывается насыщенным по отношению к двум видам кристаллов. Кривая е1′Е′

– это кривая двойной эвтектики А+В, е2′Е′ – кривая двойной эвтектики В+С, е3′Е′ – кривая двойной эвтектики А+С. Три кривые двойных эвтектик сходят­ ся в одной точке Е′ – точке тройной эвтектики А+В+С. Жидкий раствор со­ става точки Е′ насыщен одновременно по отношению к кристаллам А, В и С, которые могут кристаллизоваться из этого раствора в виде тройной эвтекти­ ки. Через точку тройной эвтектики Е′ проходит плоскость тройной эвтектики

78

mnk. Эта плоскость является одновременно поверхностью солидуса трехком­ понентных сплавов.

Между поверхностями ликвидуса и плоскостью солидуса mnk системы имеются еще три поверхности начала кристаллизации двойных эвтектик ­ ли­ нейчатые поверхности. Они образованы конодами, одна точка которых «скользит» по кривой двойной эвтектики, а другая по ординате чистого ком­ понента. При этом коноды располагаются всегда параллельно плоскости кон­ центрационного треугольника.

Рисунок 4.1 – Пространственная диаграмма состояния системы с тройной эвтектикой и практически полным отсутствием растворимости компонентов в твердом состоянии

Одна из таких поверхностей – поверхность начала кристаллизации двойной эвтектики А+В представлена на рисунке 4.2.

На рисунке 4.2,а показано перемещение частей а1е1′ и е1′b1 эвтектиче­ ской горизонтали а1b1 двойной системы А­В. При движении образуется серия конодных треугольников (y1x1z1, y2x2z2 и т.д.), соответствующих равновесию Ж А+В.

79