Фазовые равновесия и структурообразование. Двухкомпонентные диаграммы фазового равновесия. Задачник

3508

• • • •

• • •

. .

.

• -€

‚ ƒ‚-• - „‚• …€ -- -€‡• ˆ‚‰Š €ƒ

‚ˆ ƒ ‹-€ ‚„ €ˆ‚ˆ

2019

3

1 ПОЯСНЕНИЯ

Химический состав сплавов может быть задан как в атомных, так и в массовых процентах, но всегда по нижней равномерной шкале. Рекомендуется сначала присвоить точкам химического состава буквенные обозначения, как показано в приведенном ниже примере (это точки а, е и b) и привести формулы в буквенном выражении, а затем провести расчеты по правилу рычага с использованием численных значений в массовых процентах.

Пример. Расчет количества эвтектики (Мэвт) при низкой температуре в сплаве химического состава Y % В. В задании химический состав сплава Y будет указан в атомных процентах – 80 % ат. Bi. Для расчетов химический состав сплава необходимо определить по шкале массовых процентов, что составит 88 % масс. Bi. В точке е – 57 % масс. Bi (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Диаграмма Sn – Bi

Mэвт = {(В – Y) / (В – е)} mспл = {(100 – 88) / (100 – 57)}100; что составит примерно 28 % от массы сплава.

5

2 УСЛОВИЯ ЗАДАЧ

1 Расставить фазы.

2 Описать растворимость компонентов в жидком и твердом состоянии.

3 Указать фазовые переходы второго рода и полиморфные превращения.

4Записать трехфазные реакции с указанием температуры

ихимического состава фаз. В сплаве Х определить массу фаз, вступающих в реакцию или образующихся в процессе трехфазной реакции при указанной температуре.

5 Найти интервал составов сплавов, в которых при низких температурах фазовые составляющие отличаются от структурных.

6 Для сплава состава точки Y построить кривую термического анализа при охлаждении, нарисовать структуру при низкой температуре, рассчитать массу и определить химический состав фазовых и структурных составляющих при низкой температуре.

7 По заданному количеству фазовых или структурных составляющих определить химический состав сплава.

8 Проследить за изменением количества и химического состава фаз и структурных составляющих в сплавах указанного состава (от точки А до точки В) при выделенной температуре.

6

3 ПРИМЕР РЕШЕНИЯ

Рис. 3.1. Диаграмма фазового равновесия

В данном примере (рис. 3.1) условие № 8 «Проследить за изменением количества и химического состава фаз и структурных составляющих в сплавах указанного состава (от точки А до точки В) при выделенной температуре» следует читать «Проследить за изменением количества и химического состава фаз и структурных составляющих в сплавах указанного состава (от точки М до точки Р) при выделенной температуре». Условие задачи № 7 указано под диаграммой фазового равновесия.

Задание 1. Фазы расставлены: L – неограниченный жидкий расплав компонентов А и В друг в друге при высоких температурах, a - ограниченный твердый раствор компонента В в компоненте А, b – ограниченный твердый раствор компонента А в компоненте В, g – неограниченный твердый раствор компонентов друг в друге, d и e - промежуточные фазы.

Задание 2. Компоненты А и В образуют непрерывный ряд жидких расплавов и непрерывный ряд твердых растворов с образованием фаз L и gcоответственно. Компонент В ограниченно растворяется

7

в компоненте А с образованием фазы a, компонент А ограниченно растворяется в компоненте В с образованием фазы b.

Задание 3. В компоненте А полиморфное превращение при температуре Т2, в компоненте В – при температуре Т3. Фазовый переход второго рода, магнитное превращение в фазе g. Ниже линии ovw (ниже температуры Кюри) фаза g приобретает ферромагнитные свойства.

Задание 4. При температуре Т1 – DТ протекает эвтектоидная реакция gc= ef + dd; при температуре Те – DТ протекает эвтектоидная реакция gе= b b + da.

Количественное соотношение фаз масса e f/масса d d, образующихся при эвтектоидном превращении в сплаве Х, не зависит от состава сплава и определяется отношением отрезков cd/сf.

Задание 5. Фазовые составляющие отличаются от структурных составляющих при низкой температуре после эвтектических и (или) эвтектоидных реакций, т.е. в сплавах, расположенных от точек d до f и от a до b.

Задание 6. Кривая термического анализа сплава Y приведена на рис. 3.2. Изменение химического состава фаз показано на фрагменте диаграммы красными линиями. Схемы микроструктур приведены справа от кривой термического анализа.

Рис. 3.2. Кривая термического анализа при охлаждении сплава Y

8

Расчет массы фазовых и структурных составляющих сплава Y при низкой температуре. Масса сплава равна 100 %.

Фазовые составляющие (ФС): dm и bn.

Масса dm = (yn/mn) 100 = (99 – 92)/(99 – 78)100 = 33% от массы сплава.

Численное решение задачи получено после проектирования точек y, n и m на ось составов.

Масса bn = (ym/mn) 100 = 67 % от массы сплава.

Точки m и n определяют химический состав фаз в % В. В фазе d при низкой температуре 78 % В, в фазе b – 99 % В.

Структурные составляющие (СС): bизб.n , dII m и эвтектоиде (b+ d). Масса эвтектоидае (b + d) = Масса gе = (yb/eb) 100.

Масса bизб.n = (bm/mn) Масса bизб.b. Масса dII m = (bn/mn) Масса b изб.b.

Масса bизб.b = (ye/eb)100 – это вспомогательная величина для расчета СС при низкой температуре. bизб.b частично расходуются на образование dII m при понижении температуры из-за изменения растворимости в фазе b.

Точки m, n и e определяют химический состав СС в % В.

Задание 7. По условию задачи при температуре Те – DТ (DТ стремится к нулю) в сплаве присутствуют 30 % эвтектоида и 70 % твердого раствора на основе компонента В, т.е. 70 % фазы b. При указанной температуре Те – DТ b имеет химический состав b%В, а эвтектоид – е%В. Обозначим искомый состав сплава z%B.

z%B = (b%В) · 0,7 + (е%В) · 0,3 = 96%В · 0,7 + 87%В · 0,3 = 93,3%В.

Задание 8. При решении этой задачи необходимо помнить, что количество или масса ФС и СС измеряются в процентах от массы сплава, а химический состав – в %В. Решим эту задачу графическим методом. В примере задана температура, при которой ФС совпадают с СС. Построим два графика (рис. 3.3):

1) зависимость химического состава составляющих от химического состава сплавов (в этом случае и по оси абсцисс, и по оси ординат будут отложены %В);

9

2) зависимость количества (массы) составляющих от химического состава сплавов (в этом случае по оси абсцисс будут отложены %В, а по оси ординат – % от массы сплава).

Рис. 3.3. Зависимость количества и химического состава фазовых и структурных составляющих от химического состава сплава в интервале от М до Р

10