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

Подождите немного. Документ загружается.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 7

Диаграммы фазового равновесия с расслоением жидких растворов



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

-61-

14. Изобразить диаграмму состояния с перитектическим и эвтектиче-

ским равновесиями и инконгруэнтно плавящейся промежуточной фазой пе-

ременного состава. Указать фазовые области. Зарисовать кривую охлаждения

и структуру заэвтектического сплава при кристаллизации и последующем

охлаждении.

15. Изобразить диаграмму состояния с перитектическим и эвтектиче-

ским равновесиями и инконгруэнтно плавящейся промежуточной фазой по-

стоянного состава. Выбрать сплав, в котором реализуются перитектическое и

эвтектическое превращения. Указать фазовые области. Зарисовать кривую

охлаждения и структуру сплава при кристаллизации и последующем охлаж-

дении.

16. Изобразить диаграмму состояния с перитектическим и эвтектиче-

ским равновесиями и инконгруэнтно плавящейся промежуточной фазой по-

стоянного состава. Указать фазовые области. Выбрать сплав, в котором реа-

лизуется перитектическое превращение с избытком твердой фазы. Зарисо-

вать кривую охлаждения и структуру сплава при кристаллизации и после-

дующем охлаждении.

17. Изобразить диаграмму состояния с двумя перитектическими рав-

новесиями и инконгруэнтно плавящейся промежуточной фазой переменного

состава. Выбрать сплав, в котором реализуется перитектическое превраще-

ние с избытком жидкости. Указать фазовые области. Зарисовать кривую ох-

лаждения и структуру сплава при кристаллизации и последующем охлажде-

нии.

18. Изобразить диаграмму состояния с двумя перитектическими рав-

новесиями и инконгруэнтно плавящейся промежуточной фазой постоянного

состава. Выбрать сплав, в котором реализуется перитектическое превраще-

ние с избытком жидкости. Указать фазовые области. Зарисовать кривую ох-

лаждения и структуру сплава при кристаллизации и последующем охлажде-

нии.



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

-62-

изучить фазовые равновесия в системах с эвтектоидным равновесием.

1. Изучить линии и превращения в системе.

2. Рассмотреть изменение фазового состава сплавов при охлаждении.

3. Представить структурные превращения в сплавах.

Диаграммы состояния систем на основе полиморфных компонен-

тов. Полиморфизм связан с тем, что кристаллические вещества в зависимо-

сти от температуры и давления имеют различную кристаллическую решет-

ку. К полиморфным металлам относятся Fe, Ti, Mn, Sn, их разные модифи-

кации обозначаются буквами α, β, γ. Железо имеет моди фикации Fe-α, Fe-γ,

Fe-δ; титан – Ti-α, Ti-β. При полиморфном превращении меняется не только

тип кристаллической решетки, но и её компактность. Компактность решетки

обычно уменьшается с повышением температуры. Полиморфное превраще-

ние относится к фазовым переходам первого рода и сопровождается выделе-

нием скрытой теплоты превращения. Изменение типа кристаллической ре-

шетки у металлов происходит при постоянной температуре, число степеней

свободы равно С = 2 – Ф = 2 – 2 = 0.

Если компоненты не растворимы друг в друге и образуют систему эв-

тектического типа, причем хотя бы один из компонентов обладает полимор-

физмом, то полиморфное превращение отразится на фазовой диаграмме по-

явлением горизонтальной линии, которая соответствует температуре перехо-

да модификации A

в A

(рис. 8.1).

Рис. 8.1. Диаграмма эвтектического типа,

образованная компонентами, нераство-

римыми друг в друге, один из которых

(А)

полиморфный

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 8

Диаграммы состояния систем с эвтектоидным равновесием



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

-63-

Фаза A

превратится в фазу A

во всех сплавах, в каких бы структур-

ных состояниях она ни находилась (в виде свободной избыточной фазы или

кристаллов, входящих в состав эвтектики). Причем это превращение про-

изойдет при постоянной температуре, поскольку С = 2 – 3 + 1 = 0.

Если сплавы кристаллизуются с образованием ограниченных или не-

ограниченных твердых растворов и одновременно претерпевают полиморф-

ные превращения, то превращения в твердых растворах будут происходить

по таким же закономерностями, как для кристаллизации жидких растворов.

Основной особенностью превращений в твердом состоянии является

значительно меньшая скорость диффузионных процессов, в связи с чем для

протекания превращений по равновесному механизму требуются значитель-

но меньшие скорости охлаждения. В реальных условиях охлаждения, наибо-

лее часто применяемых на практике, превращения происходят с более значи-

тельными отступлениями от равновесных условий. Твердые растворы оказы-

ваются склонными к значительным переохлаждениям и к получению нерав-

новесных состояний, что позволяет получать резко различные степени дис-

персности образующихся фазовых и структурных составляющих.

Диаграмма состояния системы с нонвариантными эвтектоидным

и эвтектическим равновесиями. Полиморфное превращение компонента А,

эвтектоидное и эвтектическое превращения в системе компонентов, обра-

зующих граничные твердые растворы, показаны на рис. 8.2

, 8.3. Фазы β и α

представляют собой граничные твердые растворы на основе высоко- и низко-

температурной модификации полиморфного компонента А, а фаза γ – гра-

ничный твердый раствор на основе второго компонента В. Линия А

s опре-

деляет начало полиморфного превращения β → α, а линия А

a – окончание

превращения. Эти линии называют трансусом. Сплавы системы составом от

точки a до точки b по завершению первичной кристаллизации проходят эв-

тектическое превращение L

→ α

+ γ

, а при дальнейшем понижении темпе-

ратуры – эвтектоидное превращение β

→ α

а1

+ γ

. Это превращение анало-

гично эвтектическому. Отличие заключается в том, что физико-химическая

смесь двух фаз образуется путем распада не жидкого, а твердого раствора.

Физико-химическая смесь двух фаз (α +

γ)

эв

, полученная из твердого

раствора, называется эвтектоидом. Эвтектоид образуется в результате со-

вместного зарождения и роста двух фаз. Эвтектоидная смесь кристаллов

имеет более тонкое внутреннее строение по сравнению с эвтектической сме-

сью, кристаллизующейся из расплава. На шлифах эвтектоид обычно характе-

ризуется пластинчатым, реже мелкозернистым строением.

Сплавы диаграммы состояния составом от точки а

до точки S отно-

сятся к доэвтектоидным, сплав состава точки S – эвтектоидный, а от точки S

до точки b

– заэвтектоидные. Эвтектоидное превращение для сплавов, пересе-

кающих горизонталь а

реализуется по следующей реакции: β

→ α

а1

+ γ

. На

рис. 8.2

, 8.3 изображены схематичные кривые охлаждения, описаны фазовые

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 8

Диаграммы состояния систем с эвтектоидным равновесием



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

-64-

превращения и представлены структуры доэвтектоидного и доэвтектического

сплава.

Рассмотрим фазовые превращения, протекающие в доэвтектоидном

сплаве системы (рис. 8.3

). Сплав кристаллизуется с образованием β-фазы в

интервале температур от точки 1 до точки 2. Ниже солидуса происходит фи-

зическое охлаждение β-кристаллов. Процесс перекристаллизации (поли-

морфное, аллотропическое превращение твердого раствора) происходит с

понижением температуры от точки 3 до точки 4, при этом постепенно увели-

чивается количество кристаллов α-фазы с новой кристаллической решеткой.

Количество α- и β-фаз определяется по правилу рычага с использованием

конод, проведенных при соответствующих температурах. При температурах

ниже точки 3 в доэвтектоидном сплаве идут следующие фазовые изменения:

происходит полиморфное превращение β- в α-кристаллы (β

3-s

→ α

3'-a1

) в ин-

тервале температур от точки 3 до точки 4, затем эвтектоидная реакция β

→

+ γ

при постоянной температуре t

, точка 4.

Рис. 8.2. Диаграмма состояния системы с нонвариантными эвтектоидным и эвтектическим

равновесиями. Кривая охлаждения и формирование структуры доэвтектоидного сплава

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 8

Диаграммы состояния систем с эвтектоидным равновесием



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

-65-

Рис. 8.3. Диаграмма состояния системы с нонвариантными эвтектоидным и эвтектическим

равновесиями. Кривая охлаждения и поэтапное формирование структуры доэвтектиче-

ского сплава

Понижение температуры от t

до комнатной приводит к выделению из

α-кристаллов, образовавшихся в результате полиморфного и эвтектоидного пре-

вращений, третичных γ-кристаллов и вторичных α-кристаллов из γ-кристаллов

эвтектоидного происхождения. Причем такие выделения α-кристаллов в составе

эвтектоидной смеси никак не отражаются на видимой микроструктуре сплава.

В структуре сплава присутствуют три составляющие: избыточные α-кристаллы,

образовавшиеся в результате полиморфного превращения β → α, эвтектоид

(α + γ)

и третичные γ-кристаллы по границам избыточных α-кристаллов.

Фазовые превращения, структура и кривая охлаждения доэвтектиче-

ского сплава представлены на рис. 8.3

. Первичная эвтектическая кристалли-

зация сплава и выделение вторичных фаз описаны выше. При охлаждении

сплава ниже температуры точки 3 происходит эвтектоидное превращение

→ (α

+ γ

)

как в

первичных β-кристаллах, так и в β-фазе, входящей в со-

став эвтектики. Структура доэвтектического сплава при комнатной темпера-

туре состоит: из эвтектоида (α + γ)

, вторичных кристаллов γ-фазы, выде-

ляющихся по границам бывших первичных кристаллов и превращенной эв-

тектики [(α + γ)

+ γ]

Диаграммы состояния систем с нонвариантным эвтектическим,

эвтектоидным, перитектоидным равновесием. Рассмотрим систему с ог-

раниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии и наличием

полиморфных превращений у А и В компонентов (рис. 8.4

). В сплаве 1 в ин-

тервале температур 1–2 происходит кристаллизация твердого раствора. При

достижении солидуса кристаллизация сплава заканчивается, и от точки 2 до

точки 3, образовавшийся β-твердый раствор никаких превращений не претерпе-

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 8

Диаграммы состояния систем с эвтектоидным равновесием



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

-66-

вает. В точке 3 начинается процесс полиморфного превращения твердого рас-

твора. В точке 4 оставшаяся непревращенной часть β-твердого раствора распа-

дается на смесь кристаллов α- и γ-фаз, происходит превращение β → α

+ γ

которое называется эвтектоидным, а смесь фаз (α + γ)

эв

, полученная из твер-

дого раствора, называется эвтектоидом. Точка Е – эвтектоидная точка.

Кривые сольвуса ТN и МD определяют уменьшение растворимости

компонентов в граничных α- и γ-твердых растворах с понижением темпера-

туры. Охлаждение сплава в интервале температур 4–5 приводит к некоторо-

му перераспределению компонентов A и B между α- и γ-фазами и изменению

относительного количества этих фаз в связи с изменением растворимости. Из-за

уменьшения растворимости происходит выделение из кристаллов α-твердого

раствора третичных кристаллов γ-твердого раствора, а из эвтектоидных кри-

сталлов γ-твердого раствора – вторичных кристаллов α-твердого раствора.

При температуре точки 5 кристаллы α- и γ-фаз взаимодействуют с об-

разованием нового твердого раствора δ. Механизм этого превращения подо-

бен перитектическому. Такое превращение α

+ γ

→ δ

, заключающееся во

взаимодействии двух твердых фаз с образованием новой твердой фазы, назы-

вается перитектоидным. После окончания перитектоидного превращения

состав α- и δ-фаз и их относительное количество изменяются по кривым ог-

раниченной растворимости NА и OJ.

Рис. 8.4. Диаграмма с ограниченной растворимо-

стью компонентов в твердом состоянии и наличием

полиморфных превращений у компонентов А и В

В сплаве 2 кристаллизация в интервале температур 1–2 идет так же,

как и в сплаве 1, по механизму кристаллизации твердого раствора. При этом

образуются первичные кристаллы β-твердого раствора. Оставшаяся часть

жидкости при эвтектической температуре, точка 2, кристаллизуется в виде

эвтектики (β + γ)

. В интервале температур 2–3 идет изменение состава фаз в

связи с ограниченной переменной растворимостью по линиям PE и QM. При

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 8

Диаграммы состояния систем с эвтектоидным равновесием



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

-67-

температуре точки 3 кристаллы β-фазы, как первичные, так и входящие в со-

став эвтектики, претерпевают распад с образованием эвтектоида (α + γ)

. В

интервале температур 3–4 идет изменение составов твердых фаз, а при тем-

пературе точки 4 в результате взаимодействия фаз α + γ образуется новая фаза δ

по перитектоидной реакции. Дальнейшее охлаждение в двухфазной области

приводит вновь к изменению составов и относительного количества α- и δ-фаз.

1. Какие превращения относятся к полиморфным?

2. Как изменяются линии диаграммы в системе с полиморфными пре-

вращениями компонентов?

3. Как называются линии полиморфного превращения твердых рас-

творов?

4. Записать эвтектоидное равновесие.

5. В чем отличие эвтектоидного превращения от эвтектического?

6. Описать строение эвтектоида и изобразить его структуру.

7. Изобразить диаграмму состояния с полиморфным превращением

компонента А и эвтектоидным превращением в сплавах.

8. Рассмотреть фазовые превращения в сплаве, фигуративная линия

которого пересекает эвтектоидную горизонталь.

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

тектической системы.

10. Изобразить диаграмму состояния с полиморфным превращением

компонента В, эвтектическим и эвтектоидным превращением в сплавах.

11. Зарисовать кривую охлаждения доэвтектического сплава при кри-

сталлизации и последующем охлаждении.

12. Зарисовать структуру доэвтектического сплава диаграммы с поли-

морфным превращением компонента А, сравнить ее со структурой сплавов

эвтектической системы.

13. Записать перитектоидное превращение.

14. В чем отличие перитектоидного превращения от перитектического?



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

-68-

1. Захаров, А. М. Диаграммы состояния двойных и тройных систем /

А. М. Захаров. – М. : Металлургия, 1990. – 240 с.

2. Новиков, И. М. Металловедение, термообработка и рентгенография /

И. И. Новиков, Г. Б. Строганов, А. И. Новиков. – М. : МИСиС, 1994. – 480 с.

3. Биронт, В. С. Материаловедение. Основы физического металлове-

дения : учеб. пособие / В. С. Биронт; ГАЦМиЗ. – Красноярск, 2003. – 144 с.

4. Золоторевский, В. С. Механические свойства металлов / В. С. Золо-

торевский. – М. : МИСиС, 1998. – 400 с.

5. Материаловедение. Формирование структуры в сплавах двухком-

понентных систем : учеб. пособие / В. С. Биронт, Т. А. Орелкина, В. Ю. Гур-

ская, В. И. Аникина; ГАЦМиЗ. – Красноярск, 2006. – 96 с.