2. Особенности построения диаграмм. Химический и весовой состав фаз

Диаграмма состояния – график, описывающий изменение структурных свойств и фазового состава сплава при изменении температуры. Диаграммы состояния строятся в координатах «температура – химический состав» (рис. 4). На оси абсцисс численно показывается процентное содержание (концентрация) только компонента . Концентрация может измеряться в весовых процентах (процент химического состава по массе) и атомных процентах (число атомов элементов от всего 100 % состава вещества). Все диаграммы строятся экспериментально.

⁰С

сплав:

60% Компонента , 40% компонента

0 20 40 60 80 100

, %

100 80 60 40 20 0

, %

Рис. 3.4. Обозначение координат

в двойных диаграммах состояния

Более подробно рассмотрим диаграмму состояния сплава, когда компоненты в жидком и твердом состояниях образуют неограниченные (непрерывные) растворы. Твердые растворы обозначаются малыми буквами , , , , . Диаграмма состояния для случая неограниченной растворимости компонентов показана на рис. 3.5.

Рассмотрим кристаллизацию сплава 1 (рис. 3.5), состоящего из 75% меди (Cu) и 25% никеля (Ni). Сплав меди и никеля носит название мельхиор и является основной составляющей современных монет серебристого цвета. Температура плавления меди 1083⁰С (точка «a»), никеля – 1453⁰С (точка «с»).

При охлаждении до температуры идет охлаждение ненасыщенной жидкости. При жидкость становится насыщенной по отношению к кристаллам твердой фазы и начинается процесс кристаллизации. Чтобы узнать, какие кристаллы будут выпадать из жидкости, воспользуемся правилом коноды.

1453 °С

Конода ( ) – это горизонталь, концы которой соединяют химические составы фаз в равновесии при любой температуре. Конода проводится до сплошных линий диаграммы, – конода при температуре . При химический состав жидкости определится проекцией точки на ось концентраций, а химический состав кристаллов – проекцией точки (смотри пунктиры на рис. 3.5). Следовательно, из жидкости будут выпадать кристаллы -фазы. По рисунку: при химический состав жидкой фазы – 12% Ni, 88% Cu; химический состав кристаллов – 56% Ni, 44% Cu.

ликвидус

⁰С

Жидкость (Ж)

c

Сплав 1

q

Ж+кристаллы

b

t₁

солидус

1083 °С

o

n

m

p

t₂

d

a

t₃

Непрерывный твердый (Т) раствор

Химический состав жидкости при температуре

Химический состав кристаллов при температуре

Ni

Cu

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Рис. 3.5. Диаграмма состояния для случая

неограниченной растворимости компонентов

Линия – ликвидус; всё, что выше неё, находится в жидком состоянии. Линия – солидус; всё, что ниже, – в твердом состоянии.

Таким образом, при кристаллизации химический состав жидкости меняется по линии ликвидус (для рассматриваемого сплава это участок ). Химический состав кристаллов меняется по линии солидус, ).

Весовое количество фаз определяется по правилу противорычага (правилу отрезков):

Весовое количество жидкости при температуре определяется соотношением отрезков %, а весовое количество кристаллов – соотношением .

Таким образом при кристаллизации количество жидкости уменьшается от 100% при до нуля – при , а количество кристаллов , наоборот увеличивается, то есть рассматриваемый сплав мельхиора в условиях равновесия закристаллизуется при температуре .

После литься сплава 1 получается дендритная структура (рис. 3.6, 3.7), с ярко выраженной дендритной ликвацией, то есть в разных точках дендрита химический состав, а, следовательно, и механические свойства будут неодинаковы, что нежелательно.

Рис. 3.6. Дендритный кристалл (а), дендритная структура (б).

I – главная ось, II , III – оси второго и третьего порядка

Для устранения дендритной ликвации проводят отжиг при высокой температуре (см. также п. 6.2.1), чтобы прошла выравнивающая диффузия. Температура отжига берется на 100 °С ниже температуры линии солидус, чтобы детали не оплавились. Этот отжиг называется гомогенизацией. В результате получаем зернистую структуру (рис. 3.8).

Рис. 3.7. Дендритная структура под микроскопом (после литья)

Рис. 3.8. Зернистая структура после гомогенизирующего отжига

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Результаты измерений и вычислений внести в специальную форму (см. далее «Отчёт по работе»).

1. Согласно варианту заданий (Приложение 8, Задание №3) выписать наименование компонентов, их процентное содержание, температуру плавления (см. Приложение 7.3).

2. Изобразить диаграмму состояния для двухкомпонентного сплава с неограниченной растворимостью (см. рис. 3.5). Подписать оси координат; обозначить линии солидус и ликвидус; указать температуры плавления компонентов; отметить необходимые точки, линии, сделать выноски.

3. Правилом коноды определить химический состав жидкой и твердой фаз при температурах: (начало кристаллизации), – окончание кристаллизации, – любое промежуточное значение температуры, .

4. По правилу отрезков определить весовой состав жидкой и твердой фаз при температурах: , и .

5. Выбрать температуру отжига для устранения дендритной ликвации (температура должна быть примерно на 100 ⁰С ниже линии солидус, т.е. температуры ).

Вопросы для самопроверки

1. Как получают сплавы? Из чего они состоят?

2. Что такое фаза? Какие бывают фазы?

3. Какова структура твердых растворов замещения?

4. Перечислите условия образования твердых неограниченных и ограниченных твердых растворов.

5. Почему легированные стали более твердые и прочные, чем углеродистые?

6. Как образуются упорядоченные твердые растворы? Какими механическими свойствами они обладают?

7. Как образуются твердые растворы внедрения? Почему они менее прочные?

8. Перечислите основные виды химических соединений? Чем они принципиально отличаются от твердых растворов?

9. Что такое диаграмма состояния? Как она строится?

10. Расскажите о диаграмме состояния сплава с неограниченной растворимостью компонентов.

11. Как строятся линии ликвидус и солидус?

12. Как определить химический состав жидкой и твердой фазы?

13. Как определить весовой состав жидкой и твердой фазы?

14. Что такое дендритная ликвация? Какие меры предпринимают для её устранения?