Диаграмма состояния сплавов с полиморфными превращениями компонентов и эвтектоидным превращением

⇐ Назад

Диаграмма состояния сплавов, у которых высокотемпературные модификации компонентов γ обладают полной взаимной растворимостью, а низкотемпературные α_F, β_N – ограничены, приведена на рис. 2.2з.

По аналогии с линией эвтектического превращения DCE и эвтектической точкой C на рис. 2.2в линию СDE называют линией эвтектоидного превращения, а D – эвтектоидной точкой. Смесь кристаллов ограниченных растворов α (на основе низкотемпературной модификации полиморфного компонента А) и β (на основе низкотемпературной модификации полиморфного компонента В), которая образуется в твердом состоянии по реакции γ_D → α_C + β_E, получила название эвтектоида.

Сплавы, расположенные левее эвтектоидной точки D, называют доэвтектоидными, а сплавы, расположенные правее D, – заэвтектоидными.

2.6. Описание диаграммы состояния

Диаграммы состояния систем конкретных компонентов (например, «Железо – углерод», «Медь – алюминий» и др.) редко являются простейшими (типовыми) диаграммами. Они, как правило, являются сложными (комбинированными) диаграммами, в строении которых нужно уметь выделить простейшие (типовые) части их. На рис. 2.3 приведена сводная таблица так называемых геометрических образов различных превращений, т.е. показано расположение линий диаграмм, характерное для различных случаев взаимодействия компонентов и фаз.

солидус

Полиморфные превращения

Рис. 2.3. Сводная таблица геометрических образов различных превращений

В этом подразделе задания студент, изучив простейшие (типовые) диаграммы состояния (рис. 2.2) и ориентируясь по сводной таблице геометрических образов (рис. 2.3), должен дать общий анализ заданной диаграммы состояния, т. е. ответить на следующие вопросы:

· Растворяются ли компоненты в жидком состоянии и как (ограниченно или неограниченно)?

· Растворяются компоненты в твердом состоянии, образуя ограниченные или неограниченные твердые растворы, или не растворяются, образуя смеси чистых компонентов, химических соединений и т.п.? Если образуются твердые растворы, то нужно их перечислить.

· Образуют ли компоненты устойчивые или неустойчивые химические соединения? Если образуют, то нужно перечислить их формулы и химические составы.

· Перечислить все нонвариантные превращения, протекающие в заданной системе (эвтектические, эвтектоидные, перитектические, перитектоидные и др.), дать при этом словесное описание сути этих превращений, написать их уравнения, указать температуру и химические составы участвующих фаз.

2.7. построение кривой охлаждения заданного
сплава и Описание процесса кристаллизации

Сначала необходимо указать, до какой температуры сплав охлаждается, находясь в жидком состоянии (точка ликвидус), и на графике в координатах «Температура – Время» от любой точки, расположенной на оси ординат выше точки ликвидус, провести до нее круто падающую кривую. Это будет первый участок кривой охлаждения.

Затем для каждого температурного интервала, образованного критическими точками, а также для интервала под нижней критической точкой:

· описать процесс кристаллизации, который начинается при достижении сплавом данной критической точки;

· пользуясь правилом фаз, установить, идёт ли описываемый процесс в интервале температур или при постоянной температуре;

· на кривой охлаждения изобразить новый ее участок в рассматриваемом интервале температур, идущий под другим углом, нежели предыдущий, если процесс идёт при изменении температуры, или изобразить горизонтальную площадку, если процесс идёт при постоянной температуре;

· написать уравнение рассматриваемого процесса;

· описать структуру, которая сформировалась в сплаве к моменту окончания рассматриваемого процесса.

После рассмотрения последнего температурного интервала (под нижней критической точкой) ответ на этот пункт задания следует завершить описанием структуры сплава, сформировавшейся к моменту окончания последнего превращения.

Для правильного описания процесса кристаллизации заданного сплава надо, опираясь на знание типовых диаграмм и ориентируясь по таблице геометрических образов (рис. 2.3), правильно установить, каким фазовым превращениям соответствуют линии диаграммы, пересекаемые ординатой заданного сплава.

Применяя «правило фаз» (2.1) определить можно ли менять внешний
фактор, не нарушая равновесие фаз. При К = 2, Ф = 3, С = 0 – нонвариантная система и, следовательно, чтобы сохранить равновесие фаз, охлаждать сплав нельзя, процесс идёт при постоянной температуре (на кривой охлаждения – горизонтальная площадка) и при строго определенных
(единственных) концентрациях фаз, участвующих в этом процессе. Если
число степеней свободы С = 1 (моновариантная система) или С = 2 (бивариантная система), то процесс идёт в интервале температур и на кривой
охлаждения началу данного процесса соответствует точка перегиба (изменение наклона кривой).

Первичной кристаллизации (образования твёрдых фаз из жидкого состояния) соответствуют три типовые кривые охлаждения (рис. 2.4, 2.5, 2.6).

III

Рис. 2.4. Кристаллизация при С = 0. I – чистые металлы: Ж_Ме→Ме. К = 1 (Ме), Ф = 2 (Ж_Ме, Ме), С = 0. II – сплавы, образующие смеси фаз: Ж→(α+β) К = 2 (А, В), Ф = 3 (Ж, α, β), С = 0.

Рис. 2.5. Кристаллизация при С = 1. Сплавы, образующие неограниченные твердые растворы: Ж→α. К = 2 (А, В), Ф = 2 (Ж, α), С = 1.

Рис. 2.6. Кристаллизация в два этапа (например, до- и заэвтектоидные сплавы). Ж→α. К = 2 (А, В), Ф = 2 (Ж, α), С = 1. Ж→(α+β) К = 2 (А, В), Ф = 3 (Ж, α, β), С = 0.

Точки 1 соответствуют началу кристаллизации. Выше этих точек сплавы охлаждаются по физическим законам (без тепловых эффектов). Площадки 1_I–1_I', 1_II–1_II', 2_IV–2_IV' обусловлены выделением скрытой теплоты кристаллизации, которая уравновешивает отвод тепла от системы.

Охлаждение в интервалах 1_III–2_III и 1_IV–2_IV также сопровождается выделением теплоты, которой не хватает для сбалансирования отведенного от системы тепла. Поэтому в точках 1_III и 1_IV наблюдается перегиб в сторону замедления охлаждения. Точки 2 соответствуют окончанию процесса первичной кристаллизации.

Дальнейшее охлаждение чистых металлов идёт по физическим законам. Также охлаждаются сплавы, состоящие из компонентов, нерастворяющихся друг в друге в твердом состоянии. Большинство других сплавов по мере охлаждения претерпевают фазовую перекристаллизация, образуя смеси фаз или вторичные выделения.

Вопрос о возможности вторичных выделений решается легко. Если линии диаграммы, показывающие состав охлаждающихся твёрдых фаз, наклонны (состав их фаз изменяется с падением температуры), то в сплаве образуются вторичные выделения. Надо правильно решить вопрос о том, какие именно вторичные фазы выделяются. Вторичные выделения сопровождаются тепловым эффектом, поэтому на кривой охлаждения температуре начала выделения вторичных кристаллов соответствует перегиб.

Если линии диаграммы, показывающие состав охлаждающихся твёрдых фаз, вертикальны (состав фаз не изменяется с падением температуры), то вторичных выделений в сплаве не происходит.

При определении структуры сплава, сформировавшейся к моменту достижения конца данного температурного интервала, а также окончательной структуры сплава, образовавшейся после последнего превращения, нужно четко отличить структурный состав (структуру) сплава от фазового состава.

Фазами, как известно, называют однородные части системы, имеющие одинаковый состав, строение, свойства и отделенные от других частей системы поверхностью раздела.

Температурный интервал, °С	Фазы	Структура
1400–1200	Ж	Ж
1200–1000	Ж,	Ж+γ
1000–600	γ_I	γ
600–500	γ, В	γ+В_II
500–0	γ, В	В_II+(α+В)

Рис. 2.7. Диаграмма сплава с эвтектоидным превращением и таблица с указанием
фазового и структурного состава сплава I в разных интервалах температур

Под структурными составляющими понимают отдельные, обособленные части сплава, имеющие при рассмотрении под микроскопом однообразное строение с присущими им характерными особенностями. Структура характеризуется видом, формой, величиной, относительным количеством, распределением составляющих по объему или в плоскости шлифа. Структурная составляющая может состоять из одной, двух и более фаз. Формирование структуры прослеживается легче всего по превращениям, указанным на кривой охлаждения. Нужно следить за тем, какая (или какие) фаза участвует в фазовом превращении. Могут быть различные варианты. Например, двухфазный сплав, достигнув критической температуры, испытывает фазовое превращение. При этом фазы, взаимодействуя, расходуются полностью и образуется новая фаза. Возможен и другой путь. Одна фаза превращается в смесь фаз, а другая переходит в область низких температур как структурно свободная составляющая. Приведем пример (рис. 2.7).

Рис. 2.8. Примерная структура сплава I при комнатной температуре

В интервале 1000–600 °С сплав был однофазным. При охлаждении от 600 до 500 °С из γ-твёрдого раствора выделяются вторичные кристаллы компонента В_II. При 500 °С имеет место эвтектоидное превращение γ→(α+В). Вторичные кристаллы В_II в реакции участия не принимают. После завершения реакции они оказались на границе раздела эвтектоидных колоний (рис. 2.8). Таким образом, структура сплава при температуре ниже 500 °С состоит из вторичных кристаллов компонента и эвтектоида: В_II+(α+В).

2.8. Анализ состояния сплава при заданной температуре

На ординате, соответствующей заданному (согласно варианту задания) сплаву, нанести точку, отвечающую указанной в таблице температуре. Обозначить ее любой буквой. Написать ответ на первую часть вопроса: из каких фаз состоит сплав при заданной температуре. Название фаз выписать из области диаграммы, в которую попадает горизонтальная линия (конода), соответствующая заданной в варианте температуре.

Для определения количественного соотношения фаз необходимо провести горизонталь (коноду) до пересечения с ближайшими линиями диаграммы. Конечные точки этой горизонтали обозначить какими-либо буквами и спроектировать на ось концентраций для определения состава (содержания компонентов А и В в процентах).

Для определения веса фаз на 1 килограмм сплава необходимо воспользоваться формулой (2.4). Длины отрезков не следует измерять линейкой. Необходимо воспользоваться осью концентраций, т. к. при нахождении составов фаз были спроектированы конечные точки коноды на эту ось и определены их абсциссы в соответствующем масштабе.

П.2. Пример выполнения домашнего задания

«Анализ двойных диаграмм»

Задание №10–Д

1. Общий анализ диаграммы состояния системы «Ti – W».

2. Для сплава, содержащего 40 % W:

· описать процесс кристаллизации при очень медленном охлаждении и, пользуясь правилом фаз, построить кривую охлаждения с указанием фазовых превращений на всех участках кривой;

· указать, из каких фаз будет состоять сплав при температуре 1200 °С, состав фаз и их количество (вес) на 1 килограмм сплава.

1. Общий анализ диаграммы.

Титан и вольфрам неограниченно растворяются в жидком состоянии, образуя неограниченный жидкий раствор Ж. В твёрдом состоянии они растворяются друг в друге ограниченно, образуя три ограниченных твёрдых раствора: α-твёрдый растворв α-модификации титана, β-твёрдый растворвольфрама в β-модификации титана и γ-твёрдый раствор титана в вольфраме. Химических соединений титан и вольфрам не образуют.

В системе «Титан – вольфрам» протекают два нонвариантных превращения: перитектическое и эвтектоидное.

При температуре 1880 °С протекает перитектическая реакция, заключающаяся в том, что жидкий раствор Ж, содержащий 25 % вольфрама, взаимодействует с ранее выпавшими из него кристаллами γ-твёрдого раствора, содержащего 92 % вольфрама, в результате чего образуется новая фаза – кристаллы β-твёрдого раствора, содержащие 50 % вольфрама:

При температуре 715 °С протекает эвтектоидное превращение, при котором β-твёрдый раствор, содержащий 28 % вольфрама, распадается в смесь α-твёрдого раствора, содержащего 0,8 % вольфрама, и γ-твёрдого раствора, содержащего 96 % вольфрама:

2. Описание процесса кристаллизации сплава с 40 % вольфрама.

При температурах выше 2350° сплав находится в жидком состоянии и состоит из одной фазы – жидкого раствора Ж. На этом участке охлаждения в сплаве не происходит никаких фазовых превращений, наблюдается простое физическое охлаждение жидкого раствора. Система бивариантна: , где .

При достижении температуры 2350 °С в сплаве начинается процесс первичной кристаллизации, который состоит в том, что из жидкого раствора будут выпадать первичные кристаллы γ-твёрдого раствора (Ж → γ).
Этот процесс является моновариантным: ,

где , сопровождается выделением тепла и идёт в интервале температур. На кривой охлаждения при температуре 2350 °С будет наблюдаться перегиб. Выпадение γ-твёрдого раствора из жидкого раствора будет продолжаться до температуры 1880 °С, при этом состав жидкого раствора будет изменяться по отрезку линии ликвидус от точки 1 к точке 2', а состав кристаллов γ-твёрдого раствора – по отрезку линии солидус от точки 1'' к точке 2". К моменту достижения сплавом температуры 1880 °С он состоит из первичных кристаллов γ-твёрдого раствора и жидкого раствора.

При температуре 1880° в сплаве будет протекать перитектическое превращение: жидкий раствор будет взаимодействовать с кристаллами
γ-твёрдого раствора, в результате чего будут образовываться кристаллы
β-твёрдого раствора:

Это превращение нонвариантно: , где , поэтому идёт при постоянной температуре и указанных концентрациях фаз. На кривой охлаждения температуре 1880 °С будет соответствовать горизонтальная площадка. Поскольку в сплаве жидкого раствора больше, чем необходимо для перитектического превращения, сплав в момент окончания превращения (точка 2' на кривой охлаждения – рисунок) будет состоять из кристаллов β-твёрдого раствора и остатка жидкого раствора.

При охлаждении от 1880 °С до 1820 °С остаток жидкого раствора будет кристаллизоваться в β-твёрдый раствор. Превращение моновариантно: , где , сопровождается выделением тепла и идёт в интервале температур, при этом состав жидкого раствора будет изменяться по линии ликвидус от точки 2' до точки 3' (см. рисунок), а состав кристаллов β-твёрдого раствора – по линии солидус от точки 2'" до точки 3. К моменту достижения температуры 1820° сплав состоит только из кристаллов β-твёрдого раствора.

В интервале температур 1820 °С до 1500 °С ни каких фазовых превращений в сплаве не происходит, идёт простое физическое охлаждение ненасыщенного β-твёрдого раствора. Система бивариантна: , где ) и при температуре 1820 °С на кривой охлаждения будет перегиб.

При температуре 1500 °С β-твёрдый раствор достигнет предела насыщения и в связи с тем, что при дальнейшем понижении температуры растворимость вольфрама в титане понижается, β-твёрдый раствор становится пересыщенным и избыток вольфрама выделяется из него со вторичными кристаллами γ-твёрдого раствора ( ).

Рис. Диаграмма состояния системы «Ti – W» и кривая охлаждения сплава с 40 % W.

Состав β-твёрдого раствора будет изменяться по линии сольвус от точки 4 к точке 5'''. В связи с понижением растворимости титана в вольфраме γ-твёрдого раствора будут выпадать вторичные кристаллы β-твёрдого раствора ( ). Состав γ-твёрдого раствора будет меняться по другой линии сольвус от точки 4'' к точке 5". Сплав моновариантен: где , процессы идут в интервале температур, а на кривой охлаждения при 1500 °С будет перегиб.

К моменту достижения сплавом температуры 715 °С его структура состоит из кристаллов β-твёрдого раствора, образовавшегося в результате перитектического превращения при 1860 °С, и тех кристаллов β-твёрдого раствора, в которые закристаллизовался остаток жидкого раствора в интервале 1880 °С – 1820 °С. Кроме того, в структуре сплава будут вторичные кристаллы γ- и β-твёрдых растворов, выпавшие в интервале 1500 °C –715 °C. При температуре 715 °С в сплаве будет протекать эвтектоидное превращение: β-твёрдый раствор будет распадаться в смесь кристаллов

α- и γ-твёрдых растворов:

Эвтектоидное превращение нонвариантно: , где , идёт при постоянной температуре 715 °С и указанных концентрациях фаз и поэтому температуре 715 °С на кривой охлаждения будет соответствовать горизонтальная площадка. В момент окончания эв-тектоидного превращения (точка 5' на кривой охлаждения – рисунок) структура сплава будет состоять из вторичных кристаллов γ-твёрдого раствора и эвтектоида

При дальнейшем охлаждении ниже 715 °С вследствие понижения растворимости вольфрама в титане из α-твёрдого раствора будут выпадать третичные кристаллы γ-твёрдого раствора и состав его будет изменяться по линии сольвус от точки 5' до точки 6' (см. рисунок), а вследствие понижения растворимости титана в вольфраме из γ-твёрдого раствора будут выпадать вторичные кристаллы α-твёрдого раствора.

Ниже 715 °С сплав моновариантен: и состоит из двух фаз (α- и γ-твердые растворы). Описанные процессы ( сопровождаются выделением тепла и идут в интервале температур.

Так как после эвтектоидного превращения в сплаве нет структурно самостоятельных кристаллов α-твёрдого раствора, а есть лишь мелкие кристаллы α-твёрдого раствора, входящие в состав эвтектоида и при средних увеличениях невидимые в микроскоп, то выпадающие из них еще более мелкие третичные кристаллы γ-твёрдого раствора тем более не будут видны; они останутся внутри эвтектоида и сольются с эвтектоидными кристаллами γ-твёрдого раствора.

Таким образом, окончательная структура сплава будет состоять из вторичных кристаллов γ-твёрдого раствора, эвтектоида и вторичных кристаллов α-твёрдого раствора:

3. Определение состава и количества фаз на 1 килограмм сплава.

При температуре 1200° сплав с 40 % вольфрама:

· состоит из двух фаз: (β-твёрдого раствора и γ-твёрдого раствора;

· β-твёрдый раствор содержит 34 % W и 66 % Ti;

· γ-твёрдый раствор содержит 95 % W и 5 % Ti;

· вес β-твёрдого раствора: ;

· вес γ-твёрдого раствора: .

Для выработки навыка разбора процессов, происходящих при охлаждении конкретного сплава, необходимо обязательно выполнение следующих действий: строить кривую охлаждения разбираемого сплава; против участков кривой охлаждения схематично изображать состояние фаз (структуру) сплава; письменно объяснять процесс, происходящий в сплаве при рассматриваемых температурных условиях.

2.9. Варианты заданий для домашней работы
«Анализ двойных диаграмм»

⇐ Назад