РОБОТА 5
АНАЛІЗ ДІАГРАМ Стану подвійних сплавів
Мета роботи: вивчення основних типів діаграм стану подвійних систем, придбання практичних навичок вивчення перетворень, що протікають при кристалізації сплавів, аналіз отриманих даних і визначення можливості їх використання па практиці.
Знання діаграм стану різних систем, що характеризують перетворення в сплавах, і вміння аналізувати ці перетворення дозволяють оцінити властивості сплавів і в кінцевому підсумку раціонально вибрати матеріал для тих чи інших виробів залежно від пропонованих до них вимог.
Діаграми стану зображуються в координатах температура - вміст компонентів. Лінії, що з'єднують критичні точки аналогічних перетворень в системі, розмежовують області існування рівноважних фаз. Будь-яка точка на діаграмі визначає фазовий та хімічний склади сплаву, а також його структуру при даній температурі. Вертикальна лінія відповідає визначеному хімічним складом сплаву. В залежності від того, як взаємодіють компоненти сплавів між собою у твердому стані (володіють різної взаємною розчинністю і утворюють тверді розчини; утворюють евтектики або хімічні сполуки), розрізняють кілька типів діаграм.
Розглянемо, наприклад, перетворення, що відбуваються в сплавах Al - Са (рис. 5.1). Вище лінії Ліквідус ABCDEF обидва компоненти знаходяться в рідкому стані і в будь-яких співвідношеннях необмежено розчиняються один в одному. Нижче лінії Солідус AMBNPQKEH сплави системи перебувають у твердому стані. Фналіз діаграми показує, що при затвердінні відбуваються наступні перетворення.
1. Утворюється О± -Твердий розчин Са в А1. Область існування твердого розчину - AMS 1 прилягає до лінії чистого А1. Точка М показує максимальну розчинність Са в А1, точка S 1 - мінімальну, лінія MS 1 - обмеження розчинності Са в Al. Отже, з пониженням температури спостерігається зменшення розчинності Са в Al відповідно з лінією MS 1 . Надмірна кальцій, який не може бути розчинений у О± - твердому розчині, виділяється при охолодженні нижче лінії MS 1 у вигляді вторинних кристалів СаAl 3 11 на відміну від первинних СаAl 3 , що утворяться при наявності рідкої фази в точці Р.
2. Утворюються хімічні з'єднання СаAl 3 і СаAl 2 , кристаллизующиеся з рідкого сплаву при температурах, відповідних точці D , і точці Р при взаємодії рідкої фази і хімічної сполуки СаAl 2 (відповідно).
Перетворення, що протікає при постійній температурі, коли з двох фаз, одна з яких є рідкою, утворюється третя і всі фази в момент перетворення мають певний склад, називається перитектической і може бути записано у вигляді реакції
T = const
Ж c + CaAl 2 (Q) --- -> Саа1 3 (р) ,
де символи С, Q, Р показують зміст компонентів у відповідних фазах.
Рис. 5.1. Діаграма стану (в) і криві охолодження (а, б, г, д) сплавів системи Al - Са (структурний аналіз):
I. .. IV - номери сплавів
В процесі перитектического перетворення у відповідності з правилом фаз С = К - Ф + 1 = 2 - 3 + 1 = 0. Застосування правила відрізків (Коноди CPQ ) показує, що при перитектической перетворенні маси взаємодіючих фаз строго визначені. У доперітектіческіх сплавах, розташованих лівіше точки Р, в надлишку залишається рідка фаза, яка потім випробовує всі перетворення, описані нижче для сплаву II. В заперітектіческіх сплавах, розташованих правіше точки Р, надлишкової є тверда фаза (в даному випадку СаAl 2 ). Хімічна сполука СаAl 3 є стійким при нагріванні аж до температури плавлення (точка D). Хімічне з'єднання СаAl 3 хитке і, будучи нагрітим до температури точки Р, розкладається на рідину і СаAl 2 .
3. Формуються дві евтектики Е 1 і Е 2 . Перша являє собою тонку механічну суміш кристалів О±-твердого розчину і Саа1 3 , образующуюся (при С = 0) з рідини по реакції
Друга евтектика являє собою тонку механічну суміш кристалів Са і СаAl 3 і утворюється але реакції
При цьому перетворенні, як і при першому евтектичного перетворення, система нонваріантна (С = 0).
У ряді систем можлива подібна реакція, але суміш двох різних фаз утворюється не з рідини, а з твердого розчину. Така реакція називається евтектоїдной.
Розглянемо криві охолодження декількох сплавів (див. рис. 5.1) і проведемо їх докладний структурний аналіз.
Сплав I. При охолодженні від точки 0 до точки 1 (див. рис. 5.1, а) сплав знаходиться в рідкому стані (С = 2). При температурі t 1 , відповідній точці 1, починається кристалізація сплаву. Коноди abc - відрізок ізотерми, проведений вліво і вправо від лінії сплаву до перетину з лініями діаграми, де розташовані шукані фази або структурні складові (див. рис. 5.1, в). Вона показує, що це кристали О± - твердого розчину (Точка а коіоди вказує на область О±). Друга точка Коноди з вказує на наявність рідкої фази. Користуючись правилом відрізків, можна визначити масову частку ( Q , %) співіснуючих фаз. Наприклад, за температури t 1 Q О± = bc/ac * 100, Q ж = bc/ac * 100. Отже, для визначення вмісту будь-якої з двох фаз необхідно взяти відношення довжини протилежного від шуканої фази відрізка Коноди до довжини всієї Коноди. Проекції точок а і з на вісь концентрацій покажуть, який зміст компонентів у кожній з фаз (точка а - в О± - твердому розчині, точка з - в рідкої частини сплаву).
При охолодженні сплаву I від t 1 до t 2 частка твердої фази зростає, а рідкої - Відповідно зменшується, що підтверджується правилом відрізків.
До моменту охолодження сплаву до t 2 вміст компонентів в останніх працях кристалів О± - твердого розчину буде відповідати точці М, а в рідині - точці В. Як видно, рідина має евтектичний склад і тому вона кристалізується по першій евтектичній реакції (С = 0), що протікає при постійній температурі (t 2 = t 2 '). Із зникненням при t 2 ' рідини первинна кристалізація закінчується, а від t 2 ' до t 3 протікає вторинна кристалізація сплаву (з твердої О± - Фази виділяється СаAl 11 березня ).
Сплав II. Від t 0 до t 1 (див. рис. 5.1, б) йде охолодження рідкої фази, від t 1 до t 2 - виділення з рідини кристалів СаAl 3 . Потім протікає евтектична реакція при постійній температурі (лінія MBN на рис. 5.1, в) і рідка частина сплаву переходить в евтектику. Нижче t 2 ніяких перетворень в кристалах СаAl 3 і в евтектика не відбувається.
Сплав III. Від t 0 До t 1 (див. рис. 5.1, г) йде охолодження рідкої фази, від t 1 до t 2 відбувається виділення з рідини кристалів CaAl 2 . По досягненні температури, відповідної лінії CPQ, протікає перитектической реакція (С = 0)
Оскільки лінія сплаву III проходить правіше точки Р, т. тобто ближче до лінії CaAl 2 , то в результаті перитектического перетворення утворюється СаAl 3 і деяка частина СаAl 2 залишається в надлишку. Нижче t 2 ніяких перетворень в сплаві н...
