Металлы и сплавы

В общем виде правило фаз выражается следующим уравнением:

С = К - Ф + n,

где С – число степеней свободы. Под числом степеней свободы подразумевается количество независимых переменных, изменение которого не приводит к изменению состояния равновесия системы, т.е. к изменению числа фаз, находящихся в равновесии. К независимым переменным относятся концентрации каждого компонента в каждой фа

зе и внешние факторы – температура и давление;

К – количество компонентов, образующих систему;

Ф – число фаз, находящихся в равновесии;

n – количество внешних факторов (температура и давление). Учитывая, что все превращения в сплавах происходят при постоянном давлении, для металлических систем переменным внешним фактором будет только температура, т.е. n = 1.

При С = 0 система не имеет ни одной степени свободы (система нонвариантна), т.е. фазы находятся в равновесии при строго определенной температуре и концентрации.

Если С = 1, то это значит, что система при данных условиях имеет одну степень свободы (система моновариантна), т.е. если изменить внешний фактор (температуру), то изменится концентрация жидкой и твердой фаз, но равновесие не нарушится.

При С = 2 система при данных условиях имеет две степени свободы, т.е. существует область, в которой можно изменить температуру и концентрацию сплава, не нарушая равновесия.

Правила построения диаграмм состояния

Диаграммой состояния называется график зависимости температур фазовых превращений от концентраций сплавов.

Диаграммы состояния строят на основе термического анализа, в результате которого получают кривые охлаждения. Расплавленный металл помещают в калориметр и медленно охлаждают с постоянным теплоотводом. Так как фазовые превращения в металлах и сплавах сопровождаются тепловыми эффектами, то на кривых охлаждения в координатах "температура-время" можно наблюдать либо остановки (площадки) - тогда фазовые превращения происходят при постоянных температурах, либо перегибы за счет изменения скорости охлаждения - тогда фазовые превращения протекают в интервале температур.

Температуры начала и конца фазовых превращений, которые определяются по кривым охлаждения, называются критическими, а соответствующие им точки на кривых охлаждения - критическими точками.

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых не растворяются друг в друге в твердом состоянии

Сплавы, затвердевающие в соответствии с данной диаграммой, характеризуются тем, что их компоненты:

- в жидком состоянии растворяются друг в друге в любых соотношениях;

- в твердом состоянии совершенно не растворяются один в другом;

- не образуют между собой химических соединений;

- не имеют аллотропических превращений.

Такой тип диаграммы имеют, например, сплавы: свинец-сурьма, серебро-свинец, алюминий-олово, свинец-барий, кадмий-висмут, олово-цинк.

Рассмотрим построение диаграммы состояния "свинец-сурьма" (Pb-Sb). Для этого берут чистые свинец и сурьму и на их основе готовят ряд сплавов с различным содержанием компонентов. Сплавы расплавляют и при медленном охлаждении с постоянным теплоотводом записывают кривые охлаждения (рис. 5.1).

Начальные точки каждой кривой охлаждения соответствуют нулевому отсчету времени и отвечают жидкой фазе. Точки излома и горизонтальные площадки являются критическими точками. Чистый свинец (кривая 1) имеет только одну критическую точку при температуре плавления (327°С). Чистая сурьма (кривая 6) также имеет одну критическую точку, которая соответствует 631°С. Сплав, содержащий 13% сурьмы и 87% свинца (эвтектический сплав), имеет также одну критическую точку, выраженную горизонтальной площадкой при температуре 246°С (кривая 3). Все остальные сплавы (кривые 2, 4, 5) имеют по две критические точки.

Температуры начала кристаллизации у этих сплавов различны, а температура конца кристаллизации у всех сплавов одна и та же и равна 246°С.

Построение диаграммы состояния проводится в координатах "температура-концентрация компонентов".

Рис. 5.1. Построение диаграммы состояния «свинец-сурьма» по кривым охлаждения

На оси концентраций крайние точки соответствуют чистым компонентам: левая ордината – 100% Pb, правая – 100% Sb. Каждая точка этой оси характеризует сплав определенной концентрации. Проводим ординаты сплавов, для которых построены кривые охлаждения, и переносим на них критические точки. оединив линией точки начала кристаллизации сплавов, олучим линию АСВ - линию ликвидус.

Линией ликвидус называется геометрическое место точек на­ала кристаллизации. Выше этой линии все сплавы данной системы находятся в жидком состоянии.

Соединив точки конца кристаллизации, получим линию ДСЕ - линию солидус.

Линией солидус называется геометрическое место точек конца кристаллизации. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии. Линия солидус на диаграммах данного типа является ли­нией эвтектического превращения, так как на ней происходит кристаллизация эвтектики.

Эвтектика представляет собой мелкодисперсную механическую смесь компонентов (свинца и сурьмы) рис. 5.2) ли фаз. Она имеет постоян­ный состав и наименьшую температуру плавления. Затвердевание эвтектики происходит при постоянной температуре.

Рис. 5.2. Микроструктура эвтектического сплава, х250 (Pb – 87%, Sb – 13%)

Сплавы левее точки С называются доэвтектическими, а правее - заэвтектическими. При кристаллизации сплавов, отличающихся по составу от эвтектического, в первую очередь ниже линии ликвидус кристаллизуется избыточный по сравнению с эвтектическим составом компонент. В доэвтектических сплавах ниже линии АС кристаллизуется свинец (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Микроструктура доэвтектического сплава, х250 (Pb – 94%, Sb – 9%).

Первичные кристаллы свинца и эвтектика

В заэвтектических сплавах ниже линии СВ кристаллизуется сурьма (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Микроструктура заэвтектического сплава, х250 (Pb – 70%, Sb – 30%)

Первичные кристаллы сурьмы и эвтектика

Для анализа фазового состава в любой точке двухфазной области через эту точку (например N, рис. 5.1) проводится горизонтальный отрезок влево и вправо до пересечения с линиями диаграммы. Этот отрезок (ав) называется конодой.

Имея коноду, можно ответить на следующие вопросы:

1. Какие фазы существуют в данной точке (N)? - В точке N существуют те фазы, которые находятся в равновесии на концах коноды (жидкость в точке «а» и кристаллы чистого компонента Sb в точке «в»).

2. Каков состав соответствующих фаз? - Состав их таков, каков он в точках на концах коноды (жидкость в точке N имеет состав точки «а», а твердая фаза Sb – состав точки «в»).

3. Каково количественное соотношение фаз? - Если всю конодупринять за 100%, то соотношение отрезков аN и Nв дает соотношение фаз. Здесь действует правило обратной пропорциональности. Отрезок, прилегающий к жидкой фазе (аN), показывает количество твердой фазы, а отрезок, прилегающий к твердой фазе (Nв), – количество жидкой фазы.

 Скачать реферат