Анализ диаграмм состояния двойных сплавов

РАБОТА 5

АНАЛИЗ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ ДВОЙНЫХ СПЛАВОВ

Цель работы: изучение основных типов диа-грамм состояния двойных систем, приобретение практических навыков изучения превращений, про-текающих при кристаллизации сплавов, анализ по-лученных данных и определение возможности их использования па практике.

Знание диаграмм состояния различных систем, харак-теризующих превращения в сплавах, и умение анализи-ровать эти превращения позволяют оценить свойства сплавов и в конечном итоге рационально выбрать мате-риал для тех или иных изделий в зависимости от предъ-являемых к ним требований.

Диаграммы состояния изображаются в координатах температура - содержание компонентов. Линии, соеди-няющие критические точки аналогичных превращений в системе, разграничивают области существования равно-весных фаз. Любая точка на диаграмме определяет фа-зовый и химический составы сплава, а также его струк-туру при данной температуре. Вертикальная линия соот-ветствует определенному химическому составу сплава. В зависимости от того, как взаимодействуют компоненты сплавов между собой в твердом состоянии (обладают различной взаимной растворимостью и образуют твердые растворы; образуют эвтектики или химические соедине-ния), различают несколько типов диаграмм.

Рассмотрим, например, превращения, происходящие в сплавах Al - Са (рис. 5.1). Выше линии ликвидус ABCDEF оба компонента находятся в жидком состоянии и в любых соотношениях неограниченно растворяются друг в друге. Ниже линии солидус AMBNPQKEH сплавы системы находятся в твердом состоянии. Фнализ диаграм-мы показывает, что при затвердевании происходят сле-дующие превращения.

1. Образуется б -твердый раствор Са в А1. Область существования твердого раствора - AMS₁ прилегает к линии чистого А1. Точка М показывает максимальную растворимость Са в А1, точка S₁ -- минимальную, линия MS₁ -- ограничение растворимости Са в Al. Итак, с пони-жением температуры наблюдается уменьшение раствори-мости Са в Al в соответствии с линией MS ₁. Избыточный кальций, который не может быть растворен в б - твердом растворе, выделяется при охлаждении ниже линии MS₁ в виде вторичных кристаллов СаAl _{3 11} в отличие от первич-ных СаAl ₃, образующихся при наличии жидкой фазы в точке Р.

2. Образуются химические соединения СаAl₃ и СаAl ₂, кристаллизующиеся из жидкого сплава при температу-рах, соответствующих точке D, и точке Р при взаимодей-ствии жидкой фазы и химического соединения СаAl₂ (соответственно) .

Превращение, протекающее при постоянной темпера-туре, когда из двух фаз, одна из которых является жид-кой, образуется третья и все фазы в момент превращения имеют определенный состав, называется перитектическим и может быть записано в виде реакции

T= const

Ж _c + CaAl _{2 (Q)} -------> СаА1 ₃(р),

где символы С, Q, Р показывают содержание компонен-тов в соответствующих фазах.

Рис. 5.1. Диаграмма состояния (в) и кривые охлаждения (а, б, г, д) сплавов системы Al - Са (структурный анализ):

I...IV -- номера сплавов

В процессе перитектического превращения в соответ-ствии с правилом фаз С = К - Ф + 1 = 2 - 3 + 1 = 0. Приме-нение правила отрезков (конода CPQ) показывает, что при перитектическом превращении массы взаимодейству-ющих фаз строго определенны. В доперитектических спла-вах, расположенных левее точки Р, в избытке остается жидкая фаза, которая затем испытывает все превращения, описанные ниже для сплава II. В заперитектических спла-вах, расположенных правее точки Р, избыточной явля-ется твердая фаза (в данном случае СаAl₂). Химическое соединение СаAl₃ является устойчивым при нагревании вплоть до температуры плавления (точка D). Химическое соединение СаAl₃ неустойчиво и, будучи нагретым до тем-пературы точки Р, разлагается на жидкость и СаAl₂.

3. Формируются две эвтектики Э ₁ и Э ₂. Первая пред-ставляет собой тонкую механическую смесь кристаллов б -твердого раствора и СаА1 ₃, образующуюся (при С = 0) из жидкости по реакции

Вторая эвтектика представляет собой тонкую механи-ческую смесь кристаллов Са и СаAl ₃ и образуется но ре-акции

При этом превращении, как и при первом эвтектиче-ском превращении, система нонвариантна (С = 0).

В ряде систем возможна подобная реакция, но смесь двух различных фаз образуется не из жидкости, а из твердого раствора. Такая реакция называется эвтектоидной.

Рассмотрим кривые охлаждения нескольких сплавов (см. рис. 5.1) и проведем их подробный структурный анализ.

Сплав I. При охлаждении от точки 0 до точки 1 (см. рис. 5.1, а) сплав находится в жидком состоянии (С = 2). При температуре t ₁, соответствующей точке 1, на-чинается кристаллизация сплава. Конода abc--отрезок изотермы, проведенный влево и вправо от линии сплава до пересечения с линиями диаграммы, где расположены искомые фазы или структурные составляющие (см. рис. 5.1, в). Она показывает, что это кристаллы б - твердого ра-створа (точка а коиоды указывает на область б ). Вторая точка коноды с указывает на наличие жидкой фазы. Пользуясь правилом отрезков, можно определить массо-вую долю (Q, %) сосуществующих фаз. Например, при температуре t ₁ Q б = bc / ac*100, Q ж = bc / ac*100. Итак, для определения содержания любой из двух фаз необходимо взять отношение длины противолежащего от искомой фазы отрезка коноды к длине всей коноды. Проекции то-чек а и с на ось концентраций покажут, каково содержа-ние компонентов в каждой из фаз (точка а -- в б - твердом растворе, точка с -- в жидкой части сплава).

При охлаждении сплава I от t ₁ до t ₂ доля твердой фа-зы растет, а жидкой -- соответственно уменьшается, что подтверждается правилом отрезков.

К моменту охлаждения сплава до t ₂ содержание ком-понентов в последних порциях кристаллов б - твердого ра-створа будет соответствовать точке М, а в жидкости -- точке В. Как видно, жидкость имеет эвтектический состав и потому она кристаллизуется по первой эвтекти-ческой реакции (С = 0), протекающей при постоянной тем-пературе (t₂ = t _2'). С исчезновением при t _2' жидкости первичная кристаллизация заканчивается, а от t _2' до t ₃ протекает вторичная кристаллизация сплава (из твердой б - фазы выделяется СаAl _{3 11}).

Сплав II. От t ₀ до t ₁ (см. рис. 5.1, б) идет охлажде-ние жидкой фазы, от t ₁ до t₂ - выделение из жидкости кристаллов СаAl₃. Затем протекает эвтектическая реак-ция при постоянной температуре (линия MBN на рис. 5.1, в) и жидкая часть сплава переходит в эвтектику. Ни-же t ₂ никаких превращений в кристаллах СаAl ₃ и в эв-тектике не происходит.

Сплав III. От t ₀ До t ₁ (см. рис. 5.1, г) идет охла-ждение жидкой фазы, от t ₁ до t ₂ происходит выделение из жидкости кристаллов CaAl ₂. По достижении темпера-туры, соответствующей линии CPQ, протекает перитектическая реакция (С = 0)

Поскольку линия сплава III проходит правее точки Р, т. е. ближе к линии CaAl ₂, то в результате перитектического превращения образуется СаAl₃ и некоторая часть СаAl₂ остается в избытке. Ниже t ₂ никаких превращений в сплаве не происходит.

Кристаллизацию сплава IV (см. рис. 5.1, д) анализи-руют по аналогии с рассмотренными выше сплавами.

Анализ кривых охлаждения чистых компонентов Al и Са и химического соединения CaAl₂ показывает, что они имеют одинаковый характер (площадку кристаллизации в точках A, F и D соответственно) и отличаются лишь температурным уровнем площадки кристаллизации. Та-ким образом, устойчивые химические соединения ведут себя подобно компонентам сплава и, приняв CaAl ₂ услов-но за компонент, диаграмму А1--Са (см. рис. 5.1, в)

Рис. 5.2. Диаграмма состояния сплавов системы Al - Са (фазовый анализ)

Можно рассматривать как состоящую из двух самостоя-тельных диаграмм А1--CaAl₂ и СаAl₂ -- Са. При этом диаграмма CaAl ₂ -- Са является по существу элементар-ной диаграммой, когда оба компонента в твердом состоя-нии нерастворимы друг в друге и образуют механическую смесь--эвтектику. Аналогичная диаграмма (Sn--Zn) была рассмотрена в работе 4. Диаграмма А1--CaAl ₂ со-стоит из частей элементарных диаграмм состояния с огра-ниченной растворимостью компонентов в твердом состоя-нии, с эвтектическим и перитектическим превращениями.

На рис. 5.2 приведены результаты фазового анализа диаграммы Al -- Са.

Фазовый состав сплавов в любой области легко опре-делить с помощью коноды, концы которой указывают на равновесные сосуществующие фазы и содержание в них компонентов. Линия ликвидус показывает не только тем-пературу начала кристаллизации соответствующих спла-вов, но и содержание компонентов в жидкой фазе любого сплава в зависимости от температуры. Солидус опреде-ляет температуру окончания кристаллизации и содержа-ние компонентов в твердой кристаллизующейся фазе.

В случае, если необходимо определить массовую до-лю структурных составляющих, например, в сплаве IV для температуры t ₂ -- эвтектики и СаАl ₂, проводят коноду fpk (см. рис. 5.1) до линий, соответствующих составля-ющим, и пользуются соотношениями Q _{CaAl 2} = ph / (fh) * 100 и Q_{э 2} = fh / 9fk)*100. Структурная составляющая сплава имеет под микроскопом своеобразный вид.

Задания

1. Начертить заданную преподавателем диаграмму состояния двойных сплавов (см. прил. 2.1--2.24).

2. Обозначить все линии диаграммы, отметив линии ликвидус и солидус.

3. Провести структурный и фазовый анализ диаграммы и опи-сать все нонвариантные превращения в сплавах.

4. Построить кривую охлаждения для заданного преподавате-лем сплава с объяснением всех превращений и зарисовкой микро-структур, с применением правила фаз и правила отрезков (для двух различных фазовых областей).

5. Сделать выводы и написать отчет по работе в соответствии с пунктами заданий.

Занятие в подгруппе целесообразно посвятить разбору несколь-ких реальных характерных диаграмм состояния, а индивидуальное задание рекомендовать выполнить дома.

Процесс структурообразования в сплаве IV студенту рекомен-дуется описать самостоятельно, используя кривую охлаждения этого сплава, приведенную на рис. 5.1.