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

Подождите немного. Документ загружается.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 6

Диаграммы состояния систем с промежуточными фазами



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

-51-

ких фаз, помимо жидкости, образуется новая твердая фаза, состав которой

отличается от состава исходной твердой фазы (рис. 6.2

Инконгруэнтно плавящаяся промежуточная фаза может иметь посто-

янный состав, т.е. выступать как химическое соединение А

, а взаимная

растворимость компонентов А и В в твердом состоянии может быть незначи-

тельной (рис. 6.2, а

). Инконгруэнтно плавящаяся промежуточная γ-фаза может

быть переменного состава с областью гомогенности scc

, и на основе ком-

понентов А и В образуются граничные α- и β-твердые растворы (рис. 6.2, б

Инконгруэнтно плавящиеся промежуточные фазы называют также

фазами со скрытым максимумом. По диаграмме состояния (рис. 6.2, а

) скры-

тый максимум m' отвечает составу химического соединения А

, т.е. про-

межуточной фазы постоянного состава. Если промежуточная γ-фаза имеет

переменный состав, то скрытый максимум m', который отвечает составу хи-

мического соединения А

, может

оказаться за пределами области гомоген-

ности промежуточной γ-фазы на основе этого соединения (рис. 6.2, б

Рассмотрим фазовые превращения при охлаждении сплава 1 диаграм-

мы состояния с инконгруэнтно плавящейся промежуточной фазой постоян-

ного состава (рис. 6.3

). В точке 1, соответствующей пересечению фигуратив-

ной линии сплава с линией ликвидуса, начинается выделение кристаллов

компонента B. Состав жидкой фазы изменяется по линии 1р. При температу-

ре точки 2 образуется

р2

100%

рb

⋅

кристаллов B и

100%

рb

⋅

жидкого раствора

состава точки р.

Рис. 6.2. Диаграммы состояния систем с инконгруэнтно плавящимися

промежуточными фазами: а – постоянного, б – переменного состава

а б

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 6

Диаграммы состояния систем с промежуточными фазами



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

-52-

Рис. 6.3. Диаграмма состояния системы с инконгруэнтно плавящейся промежуточной

фазой постоянного состава. Кривая охлаждения и формирование структуры сплава

Ниже этой температуры становится устойчивым химическое соедине-

ние A

, в связи с чем выделившиеся первичные кристаллы компонента B

взаимодействуют по перитектической реакции с жидкостью состава точки р,

образуя это соединение: L

+ B → A

При этом вариантность системы равна С = 2 – 3 + 1 = 0, т.е. перитек-

тическое превращение протекает при постоянной температуре, оно нонвари-

антно. Для образования химического соединения состава точки S требуется ко-

личественное соотношение твердой и жидкой фаз, равное

рS

, а для сплава 1

такое соотношение равно

р2

, т.е. в сплаве присутствует избыток кристаллов В.

Неиспользованные в процессе перитектического превращения кри-

сталлы В сохраняются в структуре сплава при охлаждении ниже линии пери-

тектического превращения. Окончательная структура сплава (рис. 6.4

) состо-

ит из двух составляющих и представляет собой так называемую «структуру

окружения», в которой первичные (избыточные) кристаллы В окружены со

всех сторон перитектическими кристаллами химического соединения A

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 6

Диаграммы состояния систем с промежуточными фазами



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

-53-

Рис. 6.4. Диаграмма состояния системы с инконгруэнтно плавящейся промежуточной

фазой. Кривая охлаждения и структура сплава

При охлаждении сплава 2 в точке 1 начинается процесс кристаллиза-

ции с выделения кристаллов компонента В (рис. 6.4

Понижение температуры приводит к увеличению количества кристал-

лов В и изменению концентрации жидкой фазы по линии 1р. При температу-

ре точки 2 в сплаве наблюдается

рb

твердых кристаллов компонента В и

р2

рb

жидкой фазы, т.е. имеется большой избыток жидкой фазы. Часть ее, взаимодей-

ствующая с кристаллами В, образует химическое соединение A

состава S.

Избыток жидкой фазы сохраняется ниже линии перитектического превращения.

При последующем охлаждении выделяются кристаллы химического

соединения A

. Количество химического соединения A

увеличивается

с понижением температуры, а состав жидкой фазы изменяется по линии ре,

достигая концентрации точки е при температуре точки 3. Количество жидко-

сти при температуре точки 3 соответствует

Это количество жидкости при температуре точки 3 претерпевает эв-

тектическое превращение, с образованием эвтектической физико-химической

смеси (А + A

)

, т.е. L

→ (А + A

). В результате рассмотренных пре-

вращений в сплаве 2 наблюдаются две структурные составляющие: первич-

ные кристаллы A

и колонии эвтектики (А + A

)

(см. рис. 6.4).

Если состав сплава совпадает с ординатой химического соединения

(рис. 6.5), то в результате кристаллизации сплава образуется структура,

представленная только кристаллами соединения A

В качестве примера диаграммы состояния с конгруэнтно плавящейся

при температуре 1 079 ºС промежуточной фазой постоянного состава CaAl

инконгруэнтно плавящейся при температуре 700 ºС промежуточной фазой

постоянного состава CaAl

на рис. 6.6 представлена реальная диаграмма со-

стояния Al–Ca.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 6

Диаграммы состояния систем с промежуточными фазами



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

-54-

Рис. 6.5. Диаграмма состояния системы с инконгруэнтно плавящейся промежуточной

фазой постоянного состава. Кривая охлаждения и формирование структуры

Рис. 6.6. Диаграмма состояния системы Al–Ca

Эту систему следует рассматривать в качестве задания для самостоя-

тельного анализа превращений, протекающих при кристаллизации сплавов с

конгруэнтно и инконгруэнтно плавящимися промежуточными фазами, и оп-

ределения конечной структуры соответствующих сплавов.

Целесообразно при этом проанализировать доэвтектические, заэвтек-

тические сплавы, сплавы, лежащие в области концентраций между составами

двух промежуточных фаз.

1. Какие промежуточные фазы называются конгруэнтно и инконгру-

энтно плавящимися?

2. Привести примеры промежуточных фаз постоянного и переменного

состава.

3. Изобразить диаграмму состояния с конгруэнтно плавящейся про-

межуточной фазой постоянного состава. Указать фазовые области.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 6

Диаграммы состояния систем с промежуточными фазами



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

-55-

4. Зарисовать кривую охлаждения и структуру доэвтектического спла-

ва при кристаллизации и последующем охлаждении сплав.

5. Изобразить диаграмму состояния с конгруэнтно плавящейся про-

межуточной фазой постоянного состава. Указать фазовые области.

6. Зарисовать кривую охлаждения и структуру заэвтектического спла-

ва при кристаллизации и последующем охлаждении.

7. Изобразить диаграмму состояния с инконгруэнтно плавящейся

промежуточной фазой постоянного состава. Указать фазовые области.

8. Зарисовать кривую охлаждения и структуру доэвтектического спла-

ва при кристаллизации и последующем охлаждении.

9. Изобразить диаграмму состояния с инконгруэнтно плавящейся

промежуточной фазой переменного состава. Указать фазовые области.

10. Выбрать сплав с избытком твердой фазы после перитектической

реакции. Зарисовать кривую охлаждения и структуру сплава при кристалли-

зации и последующем охлаждении.



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

-56-

изучить фазовые равновесия в системах с расслоением жидких рас-

творов.

1. Изучить линии и превращения в системе.

2. Рассмотреть изменение фазового состава сплавов при охлаждении.

3. Представить структурные превращения в сплавах.

Диаграммы состояния систем с монотектическим равновесием. В

некоторых системах при взаимодействии компонентов в расплавленном со-

стоянии могут оказаться две несмешивающиеся жидкости, разделенные меж-

ду собой поверхностью раздела. С повышением температуры растворимость

жидких фаз друг в друге возрастает и при определенной температуре, соот-

ветствующей критической точке k составы обеих фаз сближаются настолько,

что они превращаются в фазу одного состава.

Кристаллизация жидких растворов с расслоением в жидком состоянии

чаще всего происходит в три этапа. Первый этап заключается в монотектиче-

ской реакции (L

→ L

+ B), при которой жидкость, богатая тугоплавким

компонентом, распадается на две фазы, одной из которых оказывается жид-

кость, богатая легкоплавким компонентом, а второй – твердые кристаллы фа-

зы, богатой тугоплавким компонентом. На втором этапе осуществляется кри-

сталлизация твердого раствора или чистого тугоплавкого компонента. Треть-

им этапом является эвтектическая кристаллизация оставшейся жидкости при

температурах, несколько ниже температуры плавления легкоплавкого ком-

понента.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 7

Диаграммы фазового равновесия с расслоением жидких растворов



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

-57-

Рис. 7.1. Диаграмма состояния системы с нонвариантным монотектическим

равновесием. Кривая охлаждения и структура сплава

Диаграмма состояния с ограниченной растворимостью компонентов в

жидком состоянии, монотектическим и эвтектическим равновесиями пред-

ставлена на рис. 7.1

. Выше линии nkm (бинодали) компоненты А и В неогра-

ниченно растворимы один в другом, т.е. образует ненасыщенный жидкий

раствор. Область ограниченной растворимости, область расслоения в жидко-

сти отделена на диаграмме пунктирной линией. Ниже линии nkm расположе-

на двухфазная область жидких растворов L

и L

разных составов, насыщен-

ных один относительно другого. В зависимости от плотности компонентов и,

следовательно, жидких растворов L

и L

расслоение в двухфазной области

может проявляться по-разному. При небольшой разнице в плотности образу-

ется эмульсия. Если разница в плотности большая, то может наблюдаться ли-

квация по плотности, т.е. образование жидких слоев разного состава. Гори-

зонтальная линия nmo является линией монотектического равновесия. Осо-

бенность данного равновесия заключается в том, что жидкий раствор состава

точки m(L

) находится в равновесии с кристаллам компонента B

и жидко-

стью состава точки n(L

), т.е. L(m) ↔ L(n) + B

, или L

↔ L

+ B. Монотекти-

ческое превращение, также как и эвтектическое, происходит при постоянной

температуре, т.к. С = 2 – 3 + 1 = 0. Монотектическая реакция при охлаждении

сплава составом точки m L

→ L

+ B завершается исчезновением одной жид-

кости L

состава точки m c образованием другой жидкости L

состава точки n

и кристаллов твердой фазы, компонента В.

Рассмотрим фазовые превращения, протекающие в сплаве (рис. 7.1

Выше линии расслоения все сплавы диаграммы находятся в состоянии одно-

родного жидкого раствора.

При охлаждении в интервале температур от точки 1 до точки 2 проис-

ходит расслоение жидкого раствора. Жидкость L

меняет состав по линии 1'n;

жидкость L

– по линии 1m. Монотектическое превращение L

→ L

+ B про-

исходит при постоянной температуре в точке 2. Последующее понижение

температуры от точки 2 до точки 3 приводит к дополнительному выделению

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 7

Диаграммы фазового равновесия с расслоением жидких растворов



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

-58-

кристаллов В из жидкости: L

n-e

→ B. Кристаллизация сплава заканчивается при

температуре точки 3 распадом жидкости по эвтектической реакции: L

→ A + B.

Сплав при комнатной температуре содержит две структурные составляющие:

кристаллы компонента В, образовавшиеся при и после монотектической ре-

акции, и эвтектические кристаллы (А + В)

Диаграммы состояния систем с синтектическим равновесием.

Существует небольшое количество систем, в которых расслоение жидкости

может завершаться синтектической реакцией L

+ L

→ А

, и в результате

жидкости L

и L

разного состава, в силу своей высокой реакционной спо-

собности, способны к химическому взаимодействию с образованием химиче-

ских соединений А

Возможность протекания такой реакции создается предварительным

расслоением высокотемпературной жидкости на два жидких раствора L

и L

разделяющихся между собой некоторой поверхностью раздела. По мере по-

нижения температуры расслаивающихся жидкостей их составы изменяются в

направлении обогащения, соответственно, одним и другим компонентами,

вплоть до тех концентраций, при которых оказывается возможным их хими-

ческое взаимодействие на межфазных границах с образованием твердых кри-

сталлов промежуточной фазы. Такая реакция, как и все вышерассмотренные,

соответствует трехфазному равновесию, что отвечает нонвариантным усло-

виям, т.е. образование химического соединения (промежуточной фазы) по

механизму синтектической реакции происходит при постоянной температу-

ре.

Рис. 7.2 Диаграмма состояния системы Sn–P

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 7

Диаграммы фазового равновесия с расслоением жидких растворов



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

-59-

Примером диаграммы синтектического типа может служить система

олово–фосфор (рис. 7.2

). Как видно из приведенной диаграммы, по механиз-

му синтектической реакции в системе олово-фосфор образуются две из трех

промежуточные фазы: Sn

и SnP

. Оба эти соединения постоянного состава.

Линии, соответствующие развитию синтектических реакций, указаны на диа-

грамме. Температура первого из них равна 550 ºС, для другого соединения

она окончательно не установлена.

1. Как указывается на диаграмме фазовых равновесий область рас-

слоения в жидком состоянии?

2. Какой состав жидкие растворы имеют в точке k?

3. Какие фазовые области разделяет бинодаль?

4. Записать монотектическое равновесие.

5. Описать последующую после монотектического превращения кри-

сталлизацию жидкости в сплавах системы.

6. Изобразить диаграмму с монотектическим превращением.

7. Рассмотреть фазовые превращения в сплаве, фигуративная линия

которого пересекает область расслоения жидкого раствора.

8. Зарисовать структуру сплава, сравнить ее со структурой сплавов эв-

тектической системы.

9. Рассчитать количество структурных составляющих в доэвтектическом

сплаве.

10. Записать синтетическое превращение.

Построение диаграмм состояния, построение кривых охлаждения,

анализ фазовых превращений и изображение структуры сплавов.

1. Изобразить диаграмму состояния с монотектическим и эвтектиче-

ским равновесиями. Указать фазовые области. Зарисовать кривую охлажде-

ния и структуру заэвтектического сплава при кристаллизации и последую-

щем охлаждении.

2. Изобразить диаграмму состояния с монотектическим и эвтектиче-

ским равновесиями. Указать фазовые области. Зарисовать кривую охлажде-

ния и структуру доэвтектического сплава при кристаллизации и последую-

щем охлаждении.

3. Изобразить диаграмму состояния с монотектическим и перитекти-

ческим равновесиями. Указать фазовые области. Выбрать сплав с расслоени-

ем в жидком состоянии. Зарисовать кривую охлаждения и структуру сплава

при кристаллизации и последующем охлаждении.

4. Изобразить диаграмму состояния с расслоением жидкости, синтек-

тическим и эвтектическими равновесиями и промежуточной фазой постоян-

ного состава. Указать фазовые области. Зарисовать кривую охлаждения и

структуру доэвтектического сплава при кристаллизации и последующем ох-

лаждении.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 7

Диаграммы фазового равновесия с расслоением жидких растворов



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

-60-

5. Изобразить диаграмму состояния с перитектическим, эвтектиче-

ским равновесиями и конгруэнтно плавящейся промежуточной фазой посто-

янного состава. Указать фазовые области. Выбрать доэвтектический сплав.

Зарисовать кривую охлаждения и структуру сплава при кристаллизации и

последующем охлаждении.

6. Изобразить диаграмму состояния с перитектическим, эвтектиче-

ским равновесиями и конгруэнтно плавящейся промежуточной фазой посто-

янного состава. Указать фазовые области. Выбрать сплав с избытком твердой

фазы после перитектической реакции. Зарисовать кривую охлаждения и

структуру сплава при кристаллизации и последующем охлаждении.

7. Изобразить диаграмму состояния с перитектическим, эвтектиче-

ским равновесиями, конгруэнтно плавящейся промежуточной фазой пере-

менного состава и граничными твердыми растворами. Указать фазовые об-

ласти. Выбрать сплав, линия которого пересекает сольвус. Зарисовать кри-

вую охлаждения и структуру сплава при кристаллизации и последующем ох-

лаждении.

8. Изобразить диаграмму состояния с перитектическим и эвтектиче-

ским равновесиями и инконгруэнтно плавящейся промежуточной фазой по-

стоянного состава. Указать фазовые области. Зарисовать кривую охлаждения

и структуру доэвтектического сплава при кристаллизации и последующем

охлаждении.

9. Изобразить диаграмму состояния с перитектическим и эвтектиче-

ским равновесиями, инконгруэнтно плавящейся промежуточной фазой по-

стоянного состава. Указать фазовые области. Выбрать сплав без избытка ис-

ходных фаз после перитектической реакции. Зарисовать кривую охлаждения

и структуру сплава при кристаллизации и последующем охлаждении.

10. Изобразить диаграмму состояния с расслоением жидкости, син-

тектическим и эвтектическими равновесиями и промежуточной фазой пере-

менного состава. Указать фазовые области. Зарисовать кривую охлаждения и

структуру доэвтектического сплава при кристаллизации и последующем ох-

лаждении.

11. Изобразить диаграмму состояния с перитектическим и эвтектиче-

ским равновесиями и инконгруэнтно плавящейся промежуточной фазой пе-

ременного состава. Указать фазовые области. Выбрать сплав с избытком

твердой фазы после перитектической реакции. Зарисовать кривую охлажде-

ния и структуру сплава при кристаллизации и последующем охлаждении.

12. Изобразить диаграмму состояния с перитектическим, эвтектиче-

ским равновесиями и конгруэнтно плавящейся промежуточной фазой посто-

янного состава. Указать фазовые области. Зарисовать кривую охлаждения и

структуру заэвтектического сплава при кристаллизации и последующем ох-

лаждении.

13. Изобразить диаграмму состояния с перитектическим, эвтектиче-

ским равновесиями и конгруэнтно плавящейся промежуточной фазой пере-

менного состава. Выбрать сплав с избытком твердой фазы при перитектиче-

ском превращении. Указать фазовые области. Зарисовать кривую охлажде-

ния и структуру сплава при кристаллизации и последующем охлаждении.