Главная  Промышленность 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 [ 14 ] 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65


Рис. 3.2. Схема построения диаграммы состояния

откладывают на вертикальных линиях в соответствии с химическим составом сплавов. Соединяя критические точки, получают линии диаграммы состояния.

Одна из простейших диаграмм состояния приведена на рис. 3.2, где линия ликвидус-геометрическое место всех точек, которые определяют температуру начала кристаллизации сплавов («лик-ва» по латыни означает жидкий). Линия солидус соответствует точкам, определяющим температуру конца кристаллизации сплавов («солид»-твердый). Эти линии разделяют диаграммы состояния на области с различным фазовым составом.

Положение линий на диаграмме зависит от скорости охлаждения сплавов, поэтому температуры критических точек при построении диаграмм состояния определяют при медленных охлаждениях или нагревах. Такие диаграммы называют равновесными.

Таким образом, диаграмма состояния представляет собой графическое изображение фазового состава сплавов данной системы в функции температуры и химического состава сплавов. Левая крайняя точка на горизонтальной оси соответствует 100%-ному содержанию одного компонента. Процентное содержание второго компонента откладывается по этой оси слева направо. Правая крайняя точка соответствует 100% второго компонента. Экспериментально построенные диаграммы состояния проверяют по правилу фаз, дающему возможность теоретически обосновать на-

правление протекания процессов превращения для установления равновесного состояния системы.

Общие закономерности существования устойчивых фаз, отвечающих условиям равновесия, могут быть вьфажены в математической форме, называемой правилом фаз (Гиббса). Правило фаз дает возможность предсказать и проверить процессы, происходящие в сплавах при нагреве и охлаждении; оно показывает, происходит ли процесс кристаллизации при постоянной температуре или в интервале температур, и указывает, какое число фаз может одновременно существовать в системе.

Так как диаграммы состояния обычно строят при постоянном (атмосферном) давлении, то правило фаз выражается следующим уравнением:

С = К + 1-Ф,

где fC-число компонентов в системе; Ф-число фаз; С-число степеней свободы (или вариантность системы). Число степеней свободы-это число независимых переменных внутренних (состав фаз) и внешних (температура, давление) факторов, которые можно изменять без изменения числа фаз, находящихся в равновесии.

Из правила фаз следует, что в двойной системе при постоянном давлении не может одновременно существовать более трех фаз. Это возможно при С = = О (Ф = 2 4- 1). Три фазы могут существовать только при определенных составе фаз и температуре. Если в двойной системе насчитываем число фаз больше трех, это значит, что сплав не находится в равновесном состоянии или неправильно определено число фаз или компонентов. Для однофазного состояния правило фаз не применяют.

Экспериментальное построение диаграмм состояния является весьма трудоемким процессом, требующим приготовления большого числа опытных сплавов. Однако при наличии необходимых термодинамических данных (с






----[--

1 «

4.---

В /о

Рис. 3.3. Термодинамическое обоснование диаграммы состояния сплавов, компоненты которых полностью растворимы в жидком и твердом состояниях

ПОМОЩЬЮ правил геометрической термодинамики) можно построить равновесные диаграммы состояния.

Известно, что в равновесном состоянии могут быть только те составы фаз в системе, которые имеют минимальную свободную энергию (термодинамический потенциал) при данной температуре. Проведем синтез простейщей диаграммы состояния, экспериментальное построение которой представлено на рис. 3.2. На рис. 3.3 показана связь характерных графиков изменения свободной энергии возможных фаз при трех определенных температурах f„ tj, с диаграммой состояния. При темпера-

туре между точками я и в термодинамическом равновесии сосуществуют две фазы: жидкий раствор состава х„ и твердый раствор состава д:. Значения свободных энергий этих растворов соответствуют точкам d и Ъ. Для более точного построения линий ликвидус и солидус необходимо иметь несколько графиков для интервала температур между f J и t.

3.2. Основные равновесные диаграммы состояния двойных сплавов

Рассмотрим типовые примеры диаграмм состояния двойных систем, обращая особое внимание на фазовые превращения в твердом состоянии.

Диаграмма состояния сплавов, компоненты когорьк полностью растворимы в жидком и твердом состояниях. Полная взаимная растворимость в твердом состоянии возможна тогда, когда оба компонента имеют одинаковые кристаллические решетки и атомные диаметры компонентов мало отличаются по размерам. Такая диаграмма (рис. 3.4) имеет простой вид и состоит из двух линий-ликвидус и солидус, пересекающихся между собой в точках кристаллизации чистых компонентов А и В. Все сплавы затвердевают в некотором интервале температур (С = 1). Диаграммы такого типа имеют системы Ni-Cu, Ag-Au, Mo-V, Mo-W и др.


в,/о

Рис. 3.4. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых полностью растворимы в жидком и твердом состояниях



Рассмотрим затвердевание одного из сплавов этой системы состава (см. рис. 3.4). Жидкий раствор при температуре tj начинает кристаллизоваться. Можно предполагать, что состав выпадающих кристаллов должен быть того же состава, как жидкость. Однако из жидкого раствора состава при температуре tj начинают вьшадать кристаллы, сильно обогащенные более тугоплавким компонентом В. При дальнейшем охлаждении до температуры в равновесии с жидкостью состава х„, обогащенной компонентом А, будут находиться кристаллы твердого раствора состава х. При медленном охлаждении, а это необходимое условие для получения равновешых состояний, компонент А из жидкости диффундирует в кристаллы состава х, и они изменяют состав до х. К концу затвердевания при температуре tj все кристаллы будут иметь одинаковый состав х.

На диаграмме утолщенными линиями показано, как изменяется состав жидкого и твердого растворов в процессе кристаллизации от температуры tj до {3. В процессе кристаллизации изменяется не только состав фаз, но и количественное соотношение жидкой и твердой фаз.

После окончания кристаллизации должна наблюдаться однофазная структура.

Если процесс кристаллизации протекает в условиях ускоренного охлаждения, что обычно имеет место при получении литых деталей и слитков, то диффузионное выравнивание состава у кристаллов, выпавших при температурах выше tj, не успевает происходить, в результате чего получается неодинаковый состав не только у отдельных кристаллов, а в каждом из них. Внутренние участки кристалла будут более богаты тугоплавким компонентом В, а наружные компонентом А. Это явление неоднородности химического состава носит название микроликвации. Первые кристаллы поверхности слитка

будут обогащены компонентом В, а последние, образовавшиеся в середине слитка,-компонентом А. В результате этого возникает макроликвация в слитке.

Ликвация чаще всего играет отрицательную роль и особенно в тех случаях, когда вредные примеси распределяются неравномерно. Повышенное содержание вредных примесей может привести к преждевременному разрушению деталей.

Имея диаграмму состояния, можно проследить за фазовыми превращениями любого сплава и указать состав и количественное соотношение фаз при любой температуре. Это осуществляется при помощи двух простых правил.

Ранее указывалось, что химический состав выделяющихся кристаллов по мере снижения температуры изменяется по линии солидус от х до (см. рис. 3.4). В это же время состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус от х до Xj-. Это дает основание сформулировать правило определения состава фаз (правило концентраций). Для определения концентрации компонентов в двух фазах через данную точку (см. рис. 3.4), характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию (коноду) до пересечения с линиями, ограничивающими данную область; проекции точек пересечения (а и Ь) на горизонтальную ось диаграммы покажут составы фаз (х„

и хь).

Правило определения количественного соотношения фаз (правило отрезков). Через данную точку с проводят горизонтальную линию. Отрезки этой линии (коноды) между точкой с и точками а и Ъ, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз:

ж„1а. = Ьс1ас.

Эти правила справедливы для любой двухфазной области диаграммы состояния и не имеют смысла в однофазной области. Используя эти два правила и привлекая еще дополнительно прави-



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 [ 14 ] 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65