Биронт В.С. и др. Механические свойства сплавов и фазовые превращения

Подождите немного. Документ загружается.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 4

Диаграммы состояния систем с эвтектическим равновесием



Механические свойства сплавов и фазовые превращения. Метод. указания к практическим занятиям

-31-

А + В

А + Ж

В + Ж

а в

% по массе

t,°С

2 3

’

А + В

А + Ж

В + Ж

а в

% по массе

t,°С

2 3

’

Рис. 4.1. Диаграмма эвтектического типа

Сплавам системы эвтектического типа свойственны следующие пре-

вращения при охлаждении. В доэвтектическом сплаве 1, охлажденном из

жидкого состояния, по достижении температуры линии A´Е начинается вы-

деление твердых кристаллов А. Чтобы установить состав фаз при данной

температуре, необходимо провести горизонтальную линию, соответствую-

щую заданной температуре (коноду). Перемещения концов коноды вдоль пе-

ресекающих ее кривых определяют состав фаз. Твердой фазой в данном слу-

чае являются кристаллы компонента А, состав жидкой фазы определяется

кривой A´Е. Относительное количество твердой и жидкой фаз вычисляется

по правилу рычага, согласно которому количество твердой фазы рассчиты-

вают как отношение длины плеча, примыкающего к составу жидкой фазы, к

длине всего рычага, а количество жидкой фазы – как отношение длины рыча-

га, примыкающего к составу твердой фазы, к длине всего рычага (коноды).

При охлаждении сплава 1 ниже линии ликвидуса из жидкой фазы вы-

деляются избыточные кристаллы А до тех пор, пока система не достигнет

температуры эвтектического превращения. Состав жидкости, изменяясь по

линии A'Е, при температуре точки Е имеет эвтектический состав. При этой

температуре оставшаяся жидкость кристаллизуется по эвтектическому меха-

низму, согласно которому происходит одновременная кристаллизация пере-

плетающихся в виде регулярно чередующегося бикристалла компонента А и

компонента В. Ранее выпавшие первичные кристаллы компонента А оказы-

ваются окруженными этой тонкодифференцированной эвтектической физи-

ко-химической смесью (А + В). Количество оставшейся незакристаллизован-

ной жидкой фазы при эвтектической температуре составляет а2/аЕ.

Чисто по эвтектическому механизму кристаллизуется лишь сплав 2.

Кристаллизация заэвтектического сплава 3 начинается с выделения избыточ-

ных кристаллов компонента В. Состав твердой и жидкой фаз и их относи-

тельное количество определяются тем же способом, что и для доэвтектиче-

ского сплава.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 4

Диаграммы состояния систем с эвтектическим равновесием



Механические свойства сплавов и фазовые превращения. Метод. указания к практическим занятиям

-32-

Таким образом, доэвтектический сплав 1 состоит из первичных кри-

сталлов компонента А и эвтектики (А + В), являющейся физико-химической

смесью мелкодисперсных частиц компонента А и компонента В. Эвтектиче-

ский сплав 2, проходящий через точку Е, представляет физико-химическую

смесь фаз (А + В) – эвтектику. Заэвтектический сплав 3 содержит первичные

кристаллы В и эвтектику (А + В).

Системы эвтектического типа с ограниченной растворимостью в

твердом состоянии. За исключением небольшого числа компонентов, обра-

зующих непрерывные ряды твердых и жидких растворов, большинство ме-

таллов ограниченно растворяются друг в друге. Поэтому в системах таких

компонентов области ограниченных твердых растворов разделяются двух-

фазными областями смесей этих твердых растворов. Такие области могут

иметь вид эвтектической системы (рис. 4.2

Рис. 4.2. Диаграмма состояния системы

эвтектического типа с ограниченной

переменной растворимостью в твер-

дом

состоянии

На диаграмме эвтектического типа с переменной ограниченной рас-

творимостью компонентов друг в друге верхняя линия Т

EТ

– линия ликви-

дуса, Т

MENТ

– линия солидуса. Важнейшими линиями этой системы яв-

ляются: Мm – сольвус α-фазы (кривая ограниченной растворимости компонен-

та В в α-твердом растворе) и Nn – сольвус β-фазы (кривая ограниченной рас-

творимости компонента А в β-твердом растворе). Область Т

MmА – область

твердого раствора компонента В в А (α-фаза), область Т

NnB – область твер-

дого раствора компонента А в В (β-фаза). Область mМЕNn – область двух-

фазного состояния (α + β).

Кривые ликвидуса пересекаются в точке E или e, которая называется

эвтектической точкой. Горизонтальная линия MEN, проходящая через эвтек-

тическую точку, называется эвтектической линией или линией эвтектики, она

характеризует эвтектическое равновесие L

↔ α

+ β

. Сплавы, фигуратив-

ная линия которых пересекает горизонталь МЕ, называют доэвтектическими;

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 4

Диаграммы состояния систем с эвтектическим равновесием



Механические свойства сплавов и фазовые превращения. Метод. указания к практическим занятиям

-33-

сплавы, которые пересекают горизонталь ЕN, – заэвтектическими; сплав,

проходящий через точку Е, называют эвтектическим.

Проследим процессы формирования структуры сплавов при кристал-

лизации и превращениях в твердом состоянии. При температуре выше линии

ликвидуса все сплавы диаграммы находятся в состоянии однородного жид-

кого раствора.

В сплаве 1 при понижении температуры от точки 1 до точки 2 проис-

ходит кристаллизация α-твердого раствора L → α, точно так же, как и в слу-

чае неограниченных твердых растворов. Ниже солидуса сплав 1 охлаждается

без изменения фазового состава. Структура однофазного сплава при комнат-

ной температуре представлена одной структурной составляющей – кристал-

лами α-твердого раствора.

Кристаллизация сплава 2 происходит аналогично сплаву 1. Ниже точ-

ки 2 сплав находится в состоянии однородного α-твердого раствора. В точке 3

твердый раствор достигает предела растворимости для данной температуры и

при дальнейшем охлаждении, в связи с уменьшением растворимости компо-

нента B в А, из твердого раствора должен выделяться избыток компонента В.

Однако в данной системе компонент В может в себе также растворять ком-

понент А, образуя твердый раствор β, поэтому избыток компонента В в спла-

ве 2 выпадает в виде кристаллов β-фазы. При этом избыточная β-фаза выде-

ляется в равновесных условиях в форме ободков по границам зерен. При ох-

лаждении от точки 3 до 4 состав α-твердого раствора будет изменяться по

линии 3m, а состав выделяющегося твердого раствора β – по линии qn. Соот-

ветственно, изменяется и относительное количество фаз α и β в сплаве. Ко-

личество β-фазы при температуре точки f по правилу рычага будет равно:

100 %

⋅

, количество α-фазы

100 %

⋅

. Кристаллы фаз, выделяющиеся при

превращениях в твердом состоянии, называются вторичными и имеют разме-

ры значительно меньше первичных.

Структура сплава 2 фазового состава (α + β) при комнатной темпера-

туре содержит первичные кристаллы α -твердого раствора, составляющие ос-

нову сплава, и вторичные кристаллы β -твердого раствора, располагающиеся

по границам зерен.

Рассмотрим превращения при охлаждении доэвтектического сплава

(рис. 4.3, а

). От температуры точки 1 до температуры точки 2 в сплаве, ана-

логично предыдущим, в результате первичной кристаллизации происходит

выделение первичных кристаллов α-твердого раствора. Состав α-фазы в ин-

тервале кристаллизации изменяется по линии 1'–a, жидкости – по линии 1–е.

На термической кривой охлаждения сплава появляется выпуклый участок

как результат выделения скрытой теплоты кристаллизации.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 4

Диаграммы состояния систем с эвтектическим равновесием



Механические свойства сплавов и фазовые превращения. Метод. указания к практическим занятиям

-34-

Рис. 4.3. Диаграмма состояния системы эвтектического типа с ограниченной

переменной растворимостью в твердом состоянии: а – доэвтектический сплав;

б – эвтектический сплав

При эвтектической температуре точки 2 в сплаве остается количество

жидкости, равное

а2

100%

ае

⋅

, состав которой отвечает точке е, т.е. жидкость

предельно насыщена как компонентом В, так и компонентом А. Жидкость

при постоянной температуре t

распадается на физико-химическую смесь фаз

→ (α

+ β

)

, т.е. в сплаве происходит эвтектическая кристаллизация с об-

разованием колоний эвтектики, состоящей из кристаллов α- и β-твердых рас-

творов, состав которых будет соответствовать точкам а и b. На термической

кривой охлаждения сплава появляется изотерма, свидетельствующая о выделе-

нии значительной теплоты кристаллизации при эвтектическом превращении.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 4

Диаграммы состояния систем с эвтектическим равновесием



Механические свойства сплавов и фазовые превращения. Метод. указания к практическим занятиям

-35-

По правилу фаз Гиббса число степеней свободы С = К – Ф + 1 = 2 – 3 + 1 = 0,

т.е. эвтектическое равновесие нонвариантно.

Эвтектическая кристаллизация – это процесс образования и совмест-

ного роста разветвленных, регулярно чередующихся кристаллов α - и β -фаз,

составляющих эвтектическую колонию. Каждая эвтектическая колония пред-

ставляет собой двухфазный бикристалл. Ранее выпавшие первичные кристаллы

α-фазы оказываются окруженными колониями тонкодифференцированной эв-

тектической физико-химической смеси двух фаз (α + β)

– эвтектикой.

Таким образом, структура доэвтектического сплава по окончанию эвтек-

тической кристаллизации (точка 2) состоит из первичных кристаллов α-твердого

раствора и эвтектики (α + β)

(рис. 4.3, а).

С понижением температуры ниже эвтектической, в соответствии с пред-

ставленной диаграммой, уменьшается растворимость компонента В в α-твердом

растворе и компонента А в β-твердом растворе, а концентрация α- и β-твердых

растворов изменяется по линиям аа

и bb

. Соответственно, изменяется и от-

носительное количество α- и β-фаз.

Поэтому доэвтектический сплав (рис. 4.3, а

) при охлаждении ниже

линии эвтектики претерпевает фазовое превращение в твердом состоянии, в

результате которого из первичных и эвтектических кристаллов α-фазы про-

исходит выделение вторичных кристаллов β -фазы, а из эвтектических кри-

сталлов β-фазы – выделение вторичных кристаллов α -фазы. На кривой охла-

ждения сплава ниже горизонтальной площадки имеется небольшой перегиб,

что свидетельствует о выделении при фазовом переходе α ↔ β теплоты пр е-

вращения. Выделения вторичных кристаллов из составляющих эвтектики

структурно не проявляются. В результате структура доэвтектического

двухфазного (α и β) сплава при комнатной температуре состоит из первич-

ных кристаллов α-твердого раствора, эвтектики (α + β)

и вторичных кри-

сталлов β-фазы.

Эвтектический сплав, по составу совпадающий с точкой е, кристалли-

зуется при постоянной температуре t

с образованием эвтектики (α

+ β

)

виде эвтектических колоний. Фазовые и структурные превращения в эвтек-

тическом сплаве представлены и описаны на рис. 4.3, б

Затвердевание заэвтектического сплава отличается от доэвтектическо-

го сплава только выделением первичных кристаллов. Кристаллизация заэв-

тектического сплава начинается с выделения первичных кристаллов β -фазы.

Состав твердой и жидкой фаз и их относительное количество определяются

тем же способом, что и для доэвтектического сплава. Структура заэвтекти-

ческого сплава имеет вид, подобный структуре доэвтектического сплава

(см. рис. 4.3, а

Форма эвтектики при наблюдении в микроскопе часто определяется

лишь условиями пересечения непрерывной колонии плоскостью шлифа и не

дает общего представления о фактическом строении эвтектических кристал-

лов. Если на шлифах обнаруживается регулярное строение, в случае пла-

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 4

Диаграммы состояния систем с эвтектическим равновесием



Механические свойства сплавов и фазовые превращения. Метод. указания к практическим занятиям

-36-

стинчатой и скелетной эвтектики (рис. 4.4, а, г), то данную эвтектику назы-

вают нормальной. Эвтектику, в колониях которой на шлифах не выявляется

регулярное расположение фаз, считают аномальной (рис. 4.4, б, в

а б в г

Рис. 4.4. Пластинчатая (а), зернистая (б), игольчатая (в),

скелетная (г) эвтектики

В двойных системах, рассмотренных ранее, концентрация компонен-

тов в твердых растворах при эвтектической температуре выше, чем в интер-

вале кристаллизации, т.е. линия солидуса показывает обычное увеличение

растворимости с понижением температуры. Взаимодействие компонентов в

некоторых диаграммах состояния приводит к другому характеру раствори-

мости в твердых растворах. Концентрация компонентов при эвтектической

температуре может быть ниже, чем при кристаллизации. Солидус с нетипич-

ным характером изменения растворимости получил название ретроградный

солидус. Он встречается в системах со значительной разницей в температурах

плавления компонентов и незначительной растворимостью в твердом со-

стоянии. К таким диаграммам состояния относятся Cu–B, Ni–S, системы на

основе Ge и Si и некоторых промежуточных фаз.

На диаграмме состояния Cu–B ретроградный солидус характеризует

при кристаллизации переменную растворимость меди в твердом растворе на

основе бора. С понижением температуры от 2 092 до 1 400 ºС растворимость

меди в твердом растворе вначале растет до 19 %, а затем уменьшается до 16 %

при эвтектической температуре 1 013 ºС (рис. 4.5

). Ретроградный характер

кривой солидуса вызывает дополнительное фазовое превращение в сплавах

диаграммы, фигуративная линия которых пересекает ретроградный солидус.

Рассмотрим сплав системы Cu–B с содержанием Cu 82 %. Первичная кри-

сталлизация β(В) -твердого раствора на основе бора заканчивается при дос-

тижении сплавом температуры солидуса. Охлаждение твердого раствора в

некотором интервале температур не приводит к изменению фазового состава.

В дальнейшем с понижением температуры сплав достигает линии ретроград-

ного солидуса и реализуется превращение β(В) → Ж, т.е. происходит оплав-

ление кристаллов ранее затвердевшего β(В)-раствора.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 4

Диаграммы состояния систем с эвтектическим равновесием



Механические свойства сплавов и фазовые превращения. Метод. указания к практическим занятиям

-37-

Рис. 4.5. Диаграмма состояния системы Cu–B

Сплав такого состава заканчивает кристаллизацию при эвтектической

температуре 1 013 ºС с образованием эвтектики [Cu + β(В)]. На кривой охла-

ждения оплавление кристаллов выявляется по перегибу кривой, так как фазо-

вый переход β(В) → Ж сопровождается выделением теплоты превращения.

Наличие ретроградного солидуса следует учитывать при назначении режи-

мов термической обработки некоторых сплавов, чтобы при охлаждении ис-

ключить появление жидкой фазы.

1. Какая линия диаграммы определяет температуру начала затверде-

вания и состав жидкого раствора?

2. Какая линия диаграммы определяет температуру конца затвердева-

ния и состав твердых растворов?

3. Какое превращение происходит при температуре t

в результате ох-

лаждения в сплавах диаграммы состояния?

4. Изобразить диаграмму эвтектического типа без растворимости в

твердом состоянии, провести анализ фазовых превращений в сплавах диа-

граммы.

5. В чем заключается отличие структуры доэвтектического и заэвтек-

тического сплава диаграммы эвтектического типа без растворимости в твер-

дом состоянии?

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 4

Диаграммы состояния систем с эвтектическим равновесием



Механические свойства сплавов и фазовые превращения. Метод. указания к практическим занятиям

-38-

6. Изобразить диаграмму эвтектического типа с ограниченной пере-

менной растворимостью в твердом состоянии, провести анализ фазовых пре-

вращений в сплавах диаграммы.

7. Какие кристаллы в структуре сплава относятся к первичным, эвтек-

тическим и вторичным? Как они изображаются?

8. Изобразить различные типы эвтектик.

9. Какое строение имеют эвтектические колонии?

10. Изобразить структуру доэвтектического и заэвтектического сплава

диаграммы эвтектического типа с ограниченной растворимостью в твердом

состоянии.

11. Применить правило коноды для нахождения составов жидкости и

твердых растворов доэвтектического сплава с содержанием 5, 10, 40 % ком-

понента В.

12. Провести анализ фазовых превращений в доэвтектических, заэв-

тектических сплавах системы с содержанием 15, 40, 70 % компонента В и эв-

тектическом сплаве.

13. Рассчитать по правилу рычага количество жидкости и кристаллов

твердых растворов при различных температурах кристаллизации в сплавах

системы с содержанием 25, 50, 80 % компонента В.

14. Определить вариантность системы при кристаллизации сплавов в

интервале кристаллизации, при эвтектической кристаллизации и в интервале

выделения вторичных кристаллов.

15. Изобразить структуру сплавов системы с содержанием 10, 30, 90

% компонента В.

16. Объяснить характер кристаллизации сплавов в диаграммах с рет-

роградным солидусом.



Механические свойства сплавов и фазовые превращения. Метод. указания к практическим занятиям

-39-

изучить фазовые равновесия в системах с перитектическим равнове-

сием и неограниченной растворимостью в жидком и ограниченной раствори-

мостью в твердом состоянии и превращения в сплавах системы.

1. Изучить линии и превращения в системе.

2. Рассмотреть изменение фазового состава сплавов при охлаждении.

3. Представить структурные превращения в сплавах.

Компоненты, образующие ограниченные твердые растворы, могут об-

разовывать системы, в которых происходит кристаллизация по перитектиче-

скому механизму.

Диаграмма состояния системы перитектического типа с переменной

ограниченной растворимостью в твердом состоянии представлена на рис. 5.1

Ликвидусом диаграммы является линия А'p; рВ', солидусом – линия A'a; аb;

bB', сольвусом – линии aa

; bb

. На диаграмме фазового равновесия системы

горизонталь раb определяет нонвариантное превращение L

+ β

→ α

, назы-

ваемое перитектическим. Перитектическая точка p горизонтали pb распола-

гается по одну сторону от точек а и b максимальной взаимной растворимости

компонентов в твердом состоянии. Перитектическая реакция L

+ β

→ α

протекающая при кристаллизации сплавов участка раb, заключается во взаи-

модействии жидкости L

с выпавшими ранее первичными β

-кристаллами, в

результате которого образуются новые α

-кристаллы. Иначе говоря, жидкость

растворяет выпавшие при более высоких температурах β

-кристаллы, од-

новременно кристаллизуясь в виде новых кристаллов α

-твердого раствора.

Кристаллизация и формирование структуры сплавов диаграммы опре-

деляется составом сплава. Кристаллизация сплава, состав которого соответ-

ствует перитектической точке р, начинается с образования кристаллов

α-фазы, и перитектическая реакция в нем невозможна из-за отсутствия кри-

сталлов β-фазы. Структура затвердевшего сплава соответствует однофазному

состоянию и состоит только из зерен α -твердого раствора, разделенных вы-

сокоугловыми межзеренными границами.

При кристаллизации сплавов, фигуративная линия которых пересека-

ет линию раb, происходит перетектическое превращение. В зависимости от

состава сплавов от точки р до точки b перитектическая реакция заканчива-

ется по-разному. Единственным сплавом, в котором перитектическая реак-

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 5

Диаграммы состояния систем перитектического типа



Механические свойства сплавов и фазовые превращения. Метод. указания к практическим занятиям

-40-

ция L

+ β

→ α

протекает с одновременным и полным исчезновением обе-

их исходных фаз, является сплав, отвечающий по составу точке а (рис. 5.1

Рис. 5.1. Диаграмма состояния системы перитектического типа.

Кривая охлаждения сплава составом точки а и его структура

Рассмотрим фазовые превращения, протекающие в этом сплаве. При

первичной кристаллизации в интервале температур t

–t

состав β-кристаллов

изменяется по кривой солидуса В'b от точки 1' к точке b, а состав кристалли-

зующейся жидкости – по кривой ликвидуса B'p от точки 1 к перитектической

точке p или L

1-p

→β

1`-b

. По достижении температуры t

в равновесии оказыва-

ются жидкость L

и β

-кристаллы, относительные количества которых опреде-

ляются отношениями отрезков ab/pb и ap/pb соответственно. Жидкость L

и пер-

вичные кристаллы β

взаимодействуют по перитектической реакции L

+ β

→ α

полностью. В результате такой реакции образуются кристаллы новой α -фазы

состава точки а. С понижением температуры ниже перитектической из кри-

сталлов α-фазы выделяются вторичные кристаллы β-фазы. Состав α-кристаллов

изменяется по кривой сольвуса аа

, а вторичных β-кристаллов – по кривой

сольвуса bb

, т.е. α

a-a1

→β

b-b1

. При комнатной температуре α

а1

-кристаллы ока-

зываются в равновесии с β

-кристаллами. В структуре этого сплава при ком-

натной температуре выделяются две составляющие: α-кристаллы, образо-

вавшиеся по перитектической реакции, и вторичные β-кристаллы, распола-

гающиеся в виде прожилок по границам зерен. Кривая охлаждения и струк-

тура сплава представлены на рис. 5.1.

В сплавах, находящихся между точками а и b (рис. 5.2

) перитектиче-

ская реакция протекает лишь до исчезновения жидкости L

, расходуемой

при этом полностью. Причем это происходит в тот момент, когда в сплаве