ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

Анализ диаграмм состояния включает выполнение следующих двух заданий.

Задание 1. Для полученной в предыдущей работе диаграммы состояния систем Pb – Sn дать характеристику состояния сплава заданного состава при определенных температурах. Состав сплава и значения температуры задаются преподавателем каждому студенту.

Нетрудно заметить, что построенная по экспериментальным точкам диаграмма состояния сплавов системы Pb – Sn представляет собой диаграмму для сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твёрдом состоянии и эвтектическим превращением. Такие сплавы имеют следующий фазовый состав (рис. 11.1, а):

L – однородный жидкий раствор (расплав) компонентов;

α – твёрдый раствор на основе компонента А, т.е. твердый раствор, в ко-

тором компонент А является растворителем, компонент В – растворимым;

β – твёрдый раствор на основе компонента В.

В первую очередь по диаграмме состояния необходимо определить, в каком фазовом состоянии при заданной температуре находится данный сплав. Если сплав при этом окажется гетерогенным, т.е. неоднородным, то надо определить фазы и структуры, присутствующие в сплаве, указать состав каждой составляющей и количество отдельных составляющих в процентах. Для определения состава фаз через точку, определяющую данный состав при заданной температуре, необходимо провести горизонтальную линию до пересечения с линиями диаграммы, т.е. коноду. Затем из точек пересечения коноды с линиями диаграммы опустить перпендикуляры на ось концентраций, которые и укажут состав каждой фазы. Для определения относительного количества фаз, присутствующих в сплаве в состоянии равновесия, надо использовать правило отрезков. Например, необходимо определить состав и относительное количество каждой из фаз сплава III при двух температурах t1 и t2 (см. рис. 11.1, а). Из рис. 11.1, а видно, что при температуре t1 (точка 1) сплав III является двухфазным и состоит из жидкой фазы L и кристаллов α. Для определения состава фаз через точку 1 проводим коноду до пересечения с линиями диаграммы SE и SC. Проекция точки пересечения коноды с линией ликвидус (точка р) на ось концентраций покажет состав (концентрацию) жидкой фазы при рассматриваемой температуре t1, а проекция точки пересечения коноды с линией солидус (точка к) на ось концентраций – состав кристаллов α.

Рисунок 11.1 Диаграмма состояния сплавов с ограниченной

растворимостью компонентов в твёрдом состоянии:

а – фазовая диаграмма; б – структурная диаграмма

 

При анализе диаграмм состояния следует учитывать, что при одинаковом фазовом составе структура сплавов может быть различной в зависимости от температуры и концентрации. Так, для рассматриваемого примера фазовый состав сплавов в области, ог-раниченной линиями QEFB (см. рис. 11.1, а), одинаков и состоит из смеси двух твёрдых растворов α и β. Структурный же состав сплавов в этой области диаграммы будет различным.

Для выделения на диаграмме состояния областей с разным структурным составом проводят вертикальные пунктирные линии и в каждой области указывают соответствующие структурные составляющие (рис. 11.1, б). В области «а» сплавы состоят из кристаллов α и некоторого количества вторичных кристаллов βII, выделившихся в виде мелких частиц из α-твердого раствора вследствие уменьшения растворимости в нём компонента В с понижением температуры. Структура в области «г», наоборот, состоит из β-твердого раствора и вторичных кристаллов αII. Структура доэвтектических сплавов (область «б») состоит из кристаллов α-твердого раствора, эвтектики (смесь кристаллов α и β) и кристаллов βII . В области «в» (заэвтектические сплавы) структура сплавов представляет собой смесь кристаллов β-твердого раствора, эвтектики и вторичных кристаллов αII. Конфигуративная точка 2 сплава III попадает в область «б». В этом случае определение относительного количества структурных составляющих будет несколько иным. Количество присутствующей в сплаве эвтектики необходимо рассчитывать для температуры ее образования, т.е. при температуре tЭ, (точка 3) количество эвтектики составляет

 

а количество α-твердого раствора

 

При температуре t2 (точка 2) количество эвтектики согласно правилу фаз должна соответствовать отрезку 2l:

а количество α – отрезку 2m, т.е.

Однако фактически при понижении температуры от tЭ до t2 количество эвтектики в сплаве не изменилось, а в структуре появились кристаллы βII, выделившиеся из α-твердого раствора в связи с изменением растворимости в нём компонента В при понижении температуры по линии EQ. Следовательно, с определенным допущением можно считать, что количество структурных составляющих для данного сплава III при заданной температуре t2 составит:

 

Задание 2. В соответствии с диаграммой состояния Pb-Sn с применением правила фаз рассмотреть процесс фазовых превращений сплавов заданного состава при охлаждении их от 350 С до комнатной температуры, построить кривые охлаждения и дать схематичное изображение структуры сплавов в каждой области диаграммы.

Зная правило фаз, можно проследить за кристаллизацией и фазовыми пре-вращениями при охлаждении любого сплава. В качестве примера рассмотрим процесс превращений, имеющих место при кристаллизации сплавов состава I, II, III (рис. 11.2, а).

Сплав I. Выше точки 1 (см. рис. 11.2, а) сплав находится в жидком состоя-нии, т.е. является однофазным (С=2-1+1=2).

При уменьшении температуры несколько ниже значения t1 в жидкости образуются кристаллы α-твердого раствора. Вследствие выделения скрытой теплоты кристаллизации на кривой охлаждения при температуре t1 отмечается перегиб (рис. 4.2, б, кривая I-I, точка 1). Состав выделившихся кристаллов твердого раствора при температуре t1 будет соответствовать точке а (см. рис. 11.2, а).

Процесс выделения кристаллов α продолжается до температуры t2. В течение всего процесса кристаллизации в равновесии находятся две фазы: жидкая L и кристаллы α. Следовательно, в интервале температур от t1 до t2 сплав является двухфазным (С=2-2+1=1). В точке 2 кристаллизация закончится, что характеризуется изменением наклона на кривой охлаждения (см. рис. 11.2, б, кривая I-I).

Полученные кристаллы α в условиях равновесия должны иметь концентрацию исходной жидкости. При понижении температуры от точки 2 до точки 3, лежащей на линии предельной растворимости, кристаллы α-твердого раствора не претерпевают изменений (С=2-1+1=2). Ниже точки 3 (до точки 4) твердый раствор α становится пересыщенным, и из него выделяются кристаллы βII. Состав твердого раствора α изменится по кривой EQ вследствие выделения кристаллов βII, состав которых при понижении температуры изменяется по кривой FB. Таким образом, ниже точки 3 сплав из однофазного состояния переходит в двухфазное (С=2-2+1=1). Выделение избыточных кристаллов также протекает с определенным тепловым эффектом, и на кривой охлаждения вновь отмечается перегиб.

Прежде чем рассматривать кристаллизацию сплава II, для удобства дальнейшего наблюдения за процессом превращений в сплавах рассмотрим сначала кристаллизацию сплава III.

Сплав III. Сплав, соответствующий точке С, затвердевает при постоянной температуре tЭ (см. рис. 11.2, а). При этой температуре (точка 5) из жидкости од-новременно выделяются кристаллы твердых растворов α и β, т.е. наступает эвтектическая реакция:

В эвтектических сплавах в момент окончания затвердевания в равновесии находятся три фазы: кристаллы α и β растворов, образующих эвтектику, и жидкость L. Согласно правилу фаз, это равновесие нонвариантное, т.е. C=2-3+1=0. Поэтому кристаллизация происходит при постоянной температуре и характеризуется горизонтальным участком на кривой охлаждения (см. рис. 11.2, б, кривая III-III). Сплавы, в которых происходит одновременная кристаллизация α- и β-фаз при постоянной и самой низкой для данной системы сплавов температуре, называются эвтектическими.

Согласно теории кристаллизации эвтектик, разработанной А.А. Бочваром, сначала в жидкости зарождаются и растут кристаллы одной из фаз, например, α-твердого раствора, богатого компонентом А. При этом жидкость, окружающая эти кристаллы, обогащается вторым компонентом В, в результате чего из жидкости происходит выделение кристаллов β-фазы. Жидкость, прилегающая к образовавшимся кристаллам β-фазы, в свою очередь, обогащается компонентом А, и поэтому вновь выделяются кристаллы α-фазы, богатые компонентом А.

В результате такого попеременного пересыщения жидкости по отношению к α- и

β-фазам образуется эвтектическая структура. При дальнейшем охлаждении (до точки 6) вследствие изменения растворимости из α-кристаллов выделяются вторичные кристаллы βII (соответственно, из β-кристаллов выделятся вторичные кристаллы αII). При нормальной температуре кристаллы α (как вторичные, так и входящие в состав эвтектики) будут иметь состав, отвечающей точке Q, а кристаллы β – состав, отвечающий точке В.

 

 

Рисунок 11.2 – Анализ фазовых превращений сплавов

 

Выделения вторичных кристаллов при микроскопическом исследовании обычно не обнаруживается, так как они объединяются с одноименной фазой эвтектики. Таким образом, окончательно охлажденный сплав, несмотря на многообразие структурных составляющих, содержит только две фазы – α и β (С=2-2+1=1).

Сплав II. При кристаллизации сплава II (см. рис. 11.2, а) в интервале температур от t7 (точка 7) до tЭ (точка 9) из жидкости (так же как и при кристаллизации сплава I) будут выделяться кристаллы α-твердого раствора, концентрация которого изменяется по кривой QE, а состав жидкости – по кривой SC. Например, при температуре t2 в сплаве II (точка 8) состав кристаллов твердого раствора будет соответствовать составу точки 2, а состав жидкости – составу точки в. В точке 9 кристаллизация сплава заканчивается. Однако при кристаллизации этого сплава, в отличие от рассмотренного ранее сплава I, при достижении температуры tЭ (точка 9) наступает эвтектическая реакция

т.е. в равновесии находятся три фазы: жидкость состава точки С, α-кристаллы со-

става точки Е и β-кристаллы состава точки F, т.е. C=2-3+1=0, а на кривой охлаждения образуется горизонтальная площадка (см. рис. 11.2, б, кривая II-II).

В общем виде при температуре tЭ превращение в сплаве II можно записать

так:

При дальнейшем охлаждении до точки 10, как и при охлаждении эвтектического сплава I, α-кристаллы вследствие изменения растворимости выделяют вторичные кристаллы βII. Структура такого сплава будет состоять из кристаллов α, эвтектики (α+β ) и вторичных кристаллов βII.

Пример схематичного изображения структуры сплавов в различных областях диаграммы состояния показан на рис. 11.2, в.