Фазова рівновага в бінарних системах. Діаграми плавкості
Приклад. На основі кривих охолодження системи Al-Si (рис.1) побудувати діаграму «склад (% за масою) - температура плавлення». За діаграмою визначити:
1) при якій температурі почнеться кристалізація системи, що вміщує 60% кремнію;
2) що буде переходити в тверду фазу;
3) яка кількість твердої фази утвориться при охолодженні до температури 800 °С 2 кг рідкого сплаву, що вміщує 60% Si;
4) при якій температурі кристалізація закінчиться;
5) який склад останніх крапель рідкого розплаву.
Рисунок 1 – Криві охолодження системи Al-Si різного складу (а) і діаграма плавкості цієї системи (б)
Рішення.На основі кривих охолодження будуємо діаграму стану Al-Si (рис.1,б). При кристалізації чистого кремнію (крива охолодження 1) спостерігається температурна зупинка при t=1430 °С (температура плавлення кремнію). Цю температуру відкладаємо на осі ординат (рис.3,б), відповідній чистому кремнію.
На кривій охолодження системи, що містить 80% кремнію (рис.1,а, крива 2) при t=1320 °С спостерігається зменшення швидкості охолодження (перегин на кривій охолодження в точці а). При цьому починає випадати з системи чистий кремній у вигляді кристалів, а рідка фаза збагачується на алюміній. При збільшенні вмісту алюмінію температура плавлення системи зменшується. При охолодженні розплаву до t=577 °С на цій же кривій спостерігається температурна зупинка (горизонтальна площадка бв), після чого вся система переходить у тверду фазу. При цьому у вигляді дрібних кристалів випадають одночасно і алюміній, і кремній. Це кристалізується евтектика.
При охолодженні системи, що вміщує 40% кремнію (рис.1, крива 4), зміна швидкості охолодження спостерігається вже при t=936 °С, а горизонтальна площадка з’являється при тій же температурі, як і на кривій 2, тобто при t=577 °С. В цьому випадку з системи також кристалізується евтектика.
При охолодженні системи, що вміщує 10% кремнію (рис.1, крива 6), спостерігається температурна зупинка при t=577°С, як і в попередніх випадках. При охолодженні чистого алюмінію температурна зупинка при t=659 °С відповідає температурі плавлення чистого алюмінію (рис.1,а, крива 8).
З’єднавши точки початку кристалізації, отримаємо дві криві АЕ і ВЕ (лінія ліквідуса); точки кінця кристалізації усіх систем лежать на прямій ДF (лінія солідус), паралельній осі абсцис. Три лінії перетинаються в одній точці Е. Температура, відповідна цій точці називається евтектичною.
Вище кривих АЕ і ВЕ в зоні І вся система знаходиться в рідкому стані. В зоні ІІ співіснують кристали алюмінію і розплав, склад якого при кожній температурі визначається точкою перетину даної ізотерми (коноди) з кривою АЕ (точка перетину проектується на вісь складу). В зоні ІІІ співіснують кристали кремнію і розплав, склад якого визначається за лінією ліквідус. В зонах IV i V, тобто нижче лінії солідус вся система знаходиться в твердому стані (вкраплення алюмінію або кремнію в евтектиці).
Охолодження суміші показане на діаграмі стрілками.
1. Кристалізація розплаву, що вміщує 60% Si, почнеться при t=1140 °С.
2. В тверду фазу буде переходити кремній, який знаходиться в надлишку по відношенню до евтектичного складу. При цьому рідка фаза буде збагачуватись на алюміній.
3. При охолодженні системи, що вміщує 60% Si, до t=800 °С (точка k) деяка кількість кремнію виділяється у вигляді кристалів. Для визначення кількості твердої і рідкої фази використовується правило відрізків:маса кристалів кремнію так відноситься до маси рідкої фази, як відрізок nk відноситься до відрізка km. Якщо маса системи 2 кг, то
; звідки Х = 0,888 кг
4. Кристалізація цієї суміші закінчиться при температурі евтектики, тобто при t=577 °С.
5. Склад останніх крапель рідини буде відповідати евтектиці 10% Si і 90% Al.
Завдання 3. Варіант №
Для фазової діаграми системи _
1) пояснити значення фазових полів, ліній і точок на цій діаграмі;
2) знайти формулу хімічної сполуки (якщо вона є);
3) виразити склад евтектик;
4) при якій температурі почнеться кристалізація системи, що містить __%__;
5) що буде переходити в тверду фазу;
6) яка кількість кристалів утвориться при охолодженні до __°С рідкого сплаву масою 1 кг, що містить __% __;
7) при якій температурі кристалізація закінчиться;
8) який склад останніх крапель рідкого розплаву.
9) побудувати криву охолодження вказаного сплаву.(1,2).