Диаграмма состояния сплавов с полиморфными превращениями компонентов и эвтектоидным превращением

Диаграмма состояния сплавов, у которых высокотемпературные модификации компонентов γ обладают полной взаимной растворимостью, а низкотемпературные αF, βN – ограничены, приведена на рис. 2.2з.

По аналогии с линией эвтектического превращения DCE и эвтектической точкой C на рис. 2.2в линию СDE называют линией эвтектоидного превращения, а D – эвтектоидной точкой. Смесь кристаллов ограниченных растворов α (на основе низкотемпературной модификации полиморфного компонента А) и β (на основе низкотемпературной модификации полиморфного компонента В), которая образуется в твердом состоянии по реакции γD → αC + βE, получила название эвтектоида.

Сплавы, расположенные левее эвтектоидной точки D, называют доэвтектоидными, а сплавы, расположенные правее D, – заэвтектоидными.

2.6. Описание диаграммы состояния

Диаграммы состояния систем конкретных компонентов (например, «Железо – углерод», «Медь – алюминий» и др.) редко являются простейшими (типовыми) диаграммами. Они, как правило, являются сложными (комбинированными) диаграммами, в строении которых нужно уметь выделить простейшие (типовые) части их. На рис. 2.3 приведена сводная таблица так называемых геометричес­ких образов различных превращений, т.е. показано расположение линий диаграмм, характерное для различных случаев взаимодействия компонен­тов и фаз.

солидус

Полиморфные превращения

Рис. 2.3. Сводная таблица геометрических образов различных превращений

В этом подразделе задания студент, изучив простейшие (типовые) диаграммы состояния (рис. 2.2) и ориентируясь по свод­ной таблице геометрических образов (рис. 2.3), должен дать общий анализ заданной диаграммы состояния, т. е. ответить на следующие воп­росы:

· Растворяются ли компоненты в жидком состоянии и как (ограниченно или неограниченно)?

· Растворяются компоненты в твердом состоянии, образуя ограниченные или неограниченные твердые растворы, или не растворяются, образуя смеси чистых компонентов, химических соединений и т.п.? Если образуются твердые растворы, то нужно их перечислить.

· Образуют ли компоненты устойчивые или неустойчивые химические соединения? Если образуют, то нужно перечислить их формулы и хи­мические составы.

· Перечислить все нонвариантные превращения, протекающие в заданной системе (эвтектические, эвтектоидные, перитектические, перитектоидные и др.), дать при этом словесное описание сути этих превращений, написать их уравнения, указать температуру и химические составы участвующих фаз.

2.7. построение кривой охлаждения заданного
сплава и Описание процесса кристаллизации

Сначала необходимо указать, до какой температуры сплав охлаждается, находясь в жидком состоянии (точка ликвидус), и на гра­фике в координатах «Температура – Время» от любой точки, расположенной на оси ординат выше точки ликвидус, провести до нее круто падающую кривую. Это будет первый участок кривой охлаждения.

Затем для каждого температурного ин­тервала, образованного критическими точками, а также для ин­тервала под нижней критической точкой:

· описать процесс кристаллизации, который начинается при достиже­нии сплавом данной критической точки;

· пользуясь правилом фаз, установить, идёт ли описываемый процесс в интервале температур или при постоянной температуре;

· на кривой охлаждения изобразить новый ее участок в рассматривае­мом интервале температур, идущий под другим углом, нежели преды­дущий, если процесс идёт при изменении температуры, или изобра­зить горизонтальную площадку, если процесс идёт при постоянной температуре;

· написать уравнение рассматриваемого процесса;

· описать структуру, которая сформировалась в сплаве к моменту окончания рассматриваемого процесса.

После рассмотрения последнего температурного интервала (под ниж­ней критической точкой) ответ на этот пункт задания следует завершить описанием структуры сплава, сформировавшейся к моменту окончания последнего превращения.

Для правильного описания процесса кристаллизации заданного сплава надо, опираясь на знание типовых диаграмм и ориентируясь по таблице геометрических образов (рис. 2.3), правильно устано­вить, каким фазовым превращениям соответствуют линии диаграммы, пе­ресекаемые ординатой заданного сплава.

Применяя «правило фаз» (2.1) определить можно ли менять внешний
фактор, не нарушая равновесие фаз. При К = 2, Ф = 3, С = 0 – нонвариантная система и, следовательно, чтобы сохранить равновесие фаз, охлаж­дать сплав нельзя, процесс идёт при постоянной температуре (на кривой охлаждения – горизонтальная площадка) и при строго определенных
(единственных) концентрациях фаз, участвующих в этом процессе. Если
число степеней свободы С = 1 (моновариантная система) или С = 2 (бивариантная система), то процесс идёт в интервале температур и на кривой
охлаждения началу данного процесса соответствует точка перегиба (из­менение наклона кривой).

Первичной кристаллизации (образования твёрдых фаз из жидкого сос­тояния) соответствуют три типовые кривые охлаждения (рис. 2.4, 2.5, 2.6).

I

III

IV

Рис. 2.4. Кристаллизация при С = 0. I – чистые металлы: ЖМе→Ме. К = 1 (Ме), Ф = 2 (ЖМе, Ме), С = 0. II – сплавы, образующие смеси фаз: Ж→(α+β) К = 2 (А, В), Ф = 3 (Ж, α, β), С = 0. Рис. 2.5. Кристаллизация при С = 1. Сплавы, образующие неограниченные твердые растворы: Ж→α. К = 2 (А, В), Ф = 2 (Ж, α), С = 1. Рис. 2.6. Кристаллизация в два этапа (например, до- и заэвтектоидные сплавы). Ж→α. К = 2 (А, В), Ф = 2 (Ж, α), С = 1. Ж→(α+β) К = 2 (А, В), Ф = 3 (Ж, α, β), С = 0.

Точки 1 соответствуют началу кристаллизации. Выше этих точек сплавы охлаждаются по физическим законам (без тепловых эффектов). Площадки 1I–1I', 1II–1II', 2IV–2IV' обусловлены выделением скрытой тепло­ты кристаллизации, которая уравновешивает отвод тепла от системы.

Охлаждение в интервалах 1III–2III и 1IV–2IV также сопровождается выделением теплоты, которой не хватает для сбалансирования отведенно­го от системы тепла. Поэтому в точках 1III и 1IV наблюдается перегиб в сторону замедления охлаждения. Точки 2 соответствуют окончанию процесса первичной кристаллизации.

Дальнейшее охлаждение чистых металлов идёт по физическим законам. Также охлаждаются сплавы, состоящие из компонентов, нерастворяющихся друг в друге в твердом состоянии. Большинство других сплавов по мере охлаждения претерпевают фазовую перекристаллизация, образуя сме­си фаз или вторичные выделения.

Вопрос о возможности вторичных выделений решается легко. Если линии диаграммы, показывающие состав охлаждающихся твёрдых фаз, нак­лонны (состав их фаз изменяется с падением температуры), то в сплаве образуются вторичные выделения. Надо правильно решить вопрос о том, какие именно вторичные фазы выделяются. Вторичные выделения сопровож­даются тепловым эффектом, поэтому на кривой охлаждения температуре начала выделения вторичных кристаллов соответствует перегиб.

Если линии диаграммы, показывающие состав охлаждающихся твёрдых фаз, вертикальны (состав фаз не изменяется с падением температуры), то вторичных выделений в сплаве не происходит.

При определении структуры сплава, сформировавшейся к моменту достижения конца данного температурного интервала, а также окончательной структуры сплава, образовавшейся после последнего прев­ращения, нужно четко отличить структурный состав (структуру) сплава от фазового состава.

Фазами, как известно, называют однородные части системы, имею­щие одинаковый состав, строение, свойства и отделенные от других частей системы поверхностью раздела.

Температурный интервал, °С Фазы Структура
1400–1200 Ж Ж
1200–1000 Ж, Ж+γ
1000–600 γI γ
600–500 γ, В γ+ВII
500–0 γ, В ВII+(α+В)

Рис. 2.7. Диаграмма сплава с эвтектоидным превращением и таблица с указанием
фазового и структурного состава сплава I в разных интервалах температур

Под структурными составляющими понимают отдельные, обособленные части сплава, имеющие при рассмотрении под микроскопом однообразное строение с присущими им характерными особенностями. Структура ха­рактеризуется видом, формой, величиной, относительным количеством, распределением составляющих по объему или в плоскости шлифа. Струк­турная составляющая может состоять из одной, двух и более фаз. Фор­мирование структуры прослеживается легче всего по превращениям, ука­занным на кривой охлаждения. Нужно следить за тем, какая (или какие) фаза участвует в фазовом превращении. Могут быть различные варианты. Например, двухфазный сплав, достигнув критической температуры, испы­тывает фазовое превращение. При этом фазы, взаимодействуя, расходу­ются полностью и образуется новая фаза. Возможен и другой путь. Одна фаза превращается в смесь фаз, а другая переходит в область низких температур как структурно свободная составляющая. Приведем пример (рис. 2.7).

Рис. 2.8. Примерная структура сплава I при комнатной температуре

В интервале 1000–600 °С сплав был однофазным. При охлаждении от 600 до 500 °С из γ-твёрдого раствора выделяются вторичные кристаллы компонента ВII. При 500 °С имеет место эвтектоидное превращение γ→(α+В). Вторичные кристаллы ВII в реакции участия не принимают. После завершения реакции они оказались на границе раздела эвтектоидных колоний (рис. 2.8). Таким образом, структура сплава при температуре ниже 500 °С состоит из вторичных кристаллов компонента и эвтектоида: ВII+(α+В).

2.8. Анализ состояния сплава при заданной температуре

На ординате, соответствующей заданному (согласно варианту задания) сплаву, нанести точку, отвечающую указанной в таблице температуре. Обозначить ее любой буквой. Написать ответ на первую часть вопроса: из каких фаз состоит сплав при заданной температуре. Название фаз выписать из области диаграммы, в которую попадает горизонтальная линия (конода), соответствующая заданной в варианте температуре.

Для определения количественного соотношения фаз необходимо провести горизонталь (коноду) до пересечения с ближайшими линиями диаграммы. Конечные точки этой горизонтали обозначить какими-либо буквами и спроектировать на ось концентраций для определения состава (содержания компонентов А и В в процентах).

Для определения веса фаз на 1 килограмм сплава необходимо воспользоваться формулой (2.4). Длины отрезков не следует измерять линейкой. Необходимо воспользоваться осью концентраций, т. к. при нахождении составов фаз были спроектированы конечные точки коноды на эту ось и определены их абсциссы в соответствующем масштабе.

П.2. Пример выполнения домашнего задания

«Анализ двойных диаграмм»

Задание №10–Д

1. Общий анализ диаграммы состояния системы «Ti – W».

2. Для сплава, содержащего 40 % W:

· описать процесс кристаллизации при очень медленном охлаж­дении и, пользуясь правилом фаз, построить кривую охлаж­дения с указанием фазовых превращений на всех участках кривой;

· указать, из каких фаз будет состоять сплав при температу­ре 1200 °С, состав фаз и их количество (вес) на 1 килограмм сплава.

1. Общий анализ диаграммы.

Титан и вольфрам неограниченно растворяются в жидком состоянии, образуя неограниченный жидкий раствор Ж. В твёрдом состоянии они растворяются друг в друге ограниченно, образуя три ограниченных твёрдых раствора: α-твёрдый растворв α-модификации титана, β-твёрдый растворвольфрама в β-модификации титана и γ-твёрдый раствор титана в вольфраме. Химических соединений титан и вольфрам не образуют.

В системе «Титан – вольфрам» протекают два нонвариантных превращения: перитектическое и эвтектоидное.

При температуре 1880 °С протекает перитектическая реакция, заключающаяся в том, что жидкий раствор Ж, содержащий 25 % вольфрама, взаимодействует с ранее выпавшими из него кристаллами γ-твёрдого раствора, содержащего 92 % вольфрама, в результате чего образуется новая фаза – кристаллы β-твёрдого раствора, содержащие 50 % вольфрама:

При температуре 715 °С протекает эвтектоидное превращение, при котором β-твёрдый раствор, содержащий 28 % вольфрама, распадается в смесь α-твёрдого раствора, содержащего 0,8 % вольфрама, и γ-твёрдого раствора, содержащего 96 % вольфрама:

2. Описание процесса кристаллизации сплава с 40 % вольфрама.

При температурах выше 2350° сплав находится в жидком состоянии и состоит из одной фазы – жидкого раствора Ж. На этом участке охлаждения в сплаве не происходит никаких фазовых превращений, наблюдается простое физическое охлаждение жидкого раствора. Система бивариантна: , где .

При достижении температуры 2350 °С в сплаве начинается процесс первичной кристаллизации, который состоит в том, что из жидкого раствора будут выпадать первичные кристаллы γ-твёрдого раствора (Ж → γ).
Этот процесс является моновариантным: ,

где , сопровождается выделением тепла и идёт в интервале температур. На кри­вой охлаждения при температуре 2350 °С будет наблюдаться перегиб. Выпадение γ-твёрдого раствора из жидкого раствора будет продолжаться до температуры 1880 °С, при этом состав жидкого раствора будет изме­няться по отрезку линии ликвидус от точки 1 к точке 2', а состав кристаллов γ-твёрдого раствора – по отрезку линии солидус от точки 1'' к точке 2". К моменту достижения сплавом температуры 1880 °С он состоит из первичных кристаллов γ-твёрдого раствора и жидкого раствора.

При температуре 1880° в сплаве будет протекать перитектическое превращение: жидкий раствор будет взаимодействовать с кристаллами
γ-твёрдого раствора, в результате чего будут образовываться крис­таллы
β-твёрдого раствора:

Это превращение нонвариантно: , где , поэтому идёт при постоянной температуре и указанных концентрациях фаз. На кривой охлаждения температуре 1880 °С будет соответствовать горизонтальная площадка. Поскольку в сплаве жидкого раствора больше, чем необходимо для перитектического превращения, сплав в момент окончания превращения (точка 2' на кривой охлаждения – рисунок) будет состоять из кристаллов β-твёрдого раствора и остатка жидкого раствора.

При охлаждении от 1880 °С до 1820 °С остаток жидкого раствора будет кристаллизоваться в β-твёрдый раствор. Превращение моновариантно: , где , сопровождается выделением тепла и идёт в интервале температур, при этом состав жидкого раст­вора будет изменяться по линии ликвидус от точки 2' до точки 3' (см. рисунок), а состав кристаллов β-твёрдого раствора – по линии солидус от точки 2'" до точки 3. К моменту достижения температуры 1820° сплав состоит только из кристаллов β-твёрдого раствора.

В интервале температур 1820 °С до 1500 °С ни каких фазовых превращений в сплаве не происходит, идёт простое физическое охлаждение нена­сыщенного β-твёрдого раствора. Система бивариантна: , где ) и при температуре 1820 °С на кривой охлаждения будет перегиб.

При температуре 1500 °С β-твёрдый раствор достигнет предела насыщения и в связи с тем, что при дальнейшем понижении температуры растворимость вольфрама в титане понижается, β-твёрдый раствор становится пересыщенным и избыток вольфрама выделяется из него со вто­ричными кристаллами γ-твёрдого раствора ( ).


Рис. Диаграмма состояния системы «Ti – W» и кривая охлаждения сплава с 40 % W.


Состав β-твёрдого раствора будет изменяться по линии сольвус от точки 4 к точке 5'''. В связи с понижением растворимости титана в вольфраме γ-твёрдого раствора будут выпадать вторичные кристаллы β-твёрдого раствора ( ). Состав γ-твёрдого раствора будет меняться по другой линии сольвус от точки 4'' к точке 5". Сплав моновариантен: где , процессы идут в интер­вале температур, а на кривой охлаждения при 1500 °С будет перегиб.

К моменту достижения сплавом температуры 715 °С его структура состоит из кристаллов β-твёрдого раствора, образовавшегося в результате перитектического превращения при 1860 °С, и тех кристаллов β-твёрдого раствора, в которые закристаллизовался остаток жидкого раствора в интервале 1880 °С – 1820 °С. Кроме того, в структуре сплава будут вторич­ные кристаллы γ- и β-твёрдых растворов, выпавшие в интервале 1500 °C –715 °C. При температуре 715 °С в сплаве будет протекать эвтектоидное превращение: β-твёрдый раствор будет распадаться в смесь кристаллов

α- и γ-твёрдых растворов:

Эвтектоидное превращение нонвариантно: , где , идёт при постоянной температуре 715 °С и указанных концентрациях фаз и поэтому температуре 715 °С на кривой охлаждения будет соответствовать горизонтальная площадка. В момент окончания эв-тектоидного превращения (точка 5' на кривой охлаждения – рисунок) структура сплава будет состоять из вторичных кристаллов γ-твёрдого раствора и эвтектоида

При дальнейшем охлаждении ниже 715 °С вследствие понижения растворимости вольфрама в титане из α-твёрдого раствора будут выпадать третичные кристаллы γ-твёрдого раствора и состав его будет изме­няться по линии сольвус от точки 5' до точки 6' (см. рисунок), а вследствие понижения растворимости титана в вольфраме из γ-твёрдого рас­твора будут выпадать вторичные кристаллы α-твёрдого раствора.

Ниже 715 °С сплав моновариантен: и состоит из двух фаз (α- и γ-твердые растворы). Описанные процессы ( сопровождаются выделением тепла и идут в интервале темпе­ратур.

Так как после эвтектоидного превращения в сплаве нет структурно самостоятельных кристаллов α-твёрдого раствора, а есть лишь мелкие кристаллы α-твёрдого раствора, входящие в состав эвтектоида и при средних увеличениях невидимые в микроскоп, то выпадающие из них еще более мелкие третичные кристаллы γ-твёрдого раствора тем более не будут видны; они останутся внутри эвтектоида и сольются с эвтектоидными кристаллами γ-твёрдого раствора.

Таким образом, окончательная структура сплава будет состоять из вторичных кристаллов γ-твёрдого раствора, эвтектоида и вторичных кристаллов α-твёрдого раствора:

3. Определение состава и количества фаз на 1 килограмм сплава.

При температуре 1200° сплав с 40 % вольфрама:

· состоит из двух фаз: (β-твёрдого раствора и γ-твёрдого раствора;

· β-твёрдый раствор содержит 34 % W и 66 % Ti;

· γ-твёрдый раствор содержит 95 % W и 5 % Ti;

· вес β-твёрдого раствора: ;

· вес γ-твёрдого раствора: .

Для выработки навыка разбора процессов, происходящих при охлаждении конкретного сплава, необходимо обязательно выполнение следующих действий: строить кривую охлаждения разбираемого сплава; против участков кривой охлаждения схематично изображать состояние фаз (структуру) сплава; письменно объяснять процесс, происходящий в сплаве при рассматриваемых температурных условиях.


2.9. Варианты заданий для домашней работы
«Анализ двойных диаграмм»














4576560142558986.html
4576610228256422.html
    PR.RU™