![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Краткие теоретические сведения. Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение фазового состава сплава в равновесном состоянии в зависимости от температуры и концентрации
Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение фазового состава сплава в равновесном состоянии в зависимости от температуры и концентрации. Под сплавом понимают вещество, полученное сплавлением двух и более химических элементов. Сплав, состоящий преимущественно из металлических элементов и обладающий металлическими свойствами, называют металлическим сплавом. Химические элементы, образующие сплав, называются компонентами. Фазой называют однородную часть системы, имеющую одинаковый состав, кристаллическое строение и свойства, одно и то же агрегатное состояние и отделенную от остальных частей поверхностью раздела, при переходе через которую вышеуказанные свойства изменяются скачкообразно. Совокупность фаз, находящихся в равновесии, называют системой. В сплавах, в зависимости от физико-химического взаимодействия компонентов, могут образовываться следующие фазы: жидкие растворы (далее не рассматриваются), твердые растворы, химические соединения, механическая смесь нескольких фаз. Твердыми растворами называют фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы другого (или других) компонента располагаются в решетке первого компонента, изменяя ее размеры (период). Твердые растворы подразделяются на твердые растворы замещения и внедрения. Твердый раствор замещения образуется путем замены атомов основного элемента (растворителя) атомами другого компонента (растворяемого). Эти растворы могут быть: с неограниченной растворимостью, когда компоненты обладают полной растворимостью друг в друге, и с ограниченной растворимостью, когда компоненты только частично растворяются друг в друге. Условия существования неограниченной растворимости: близкие температуры плавления компонентов, близкие размеры атомов, одинаковый тип решеток. Твердые растворы внедрения образуются путем внедрения атомов растворенного элемента в кристаллическую решетку растворителя и размещения их между атомами растворителя. Эти растворы могут иметь только ограниченную растворимость компонентов. Причем количество растворенного вещества зависит от температуры; с понижением температуры растворимость уменьшается, что приводит к выделению вторичных фаз из твердых растворов. Если два или несколько компонентов вступают в химическую реакцию, то образующееся вещество называется химическим соединением. Химическое соединение имеет свою собственную кристаллическую решетку, отличную от решеток компонентов, собственные связи и обладает собственными новыми свойствами. Между компонентами в химическом соединении сохраняется строгое стехиометрическое соотношение, его можно записать химической формулой, и поэтому химической соединение является фазой постоянного состава. Механические смеси могут состоять из чистых компонентов, твердых растворов, химических соединений и т.д., при этом кристаллические решетки не меняются. Различают простую, эвтектическую и эвтектоидную механические смеси. Процессы, протекающие в металлах и сплавах при их фазовых превращениях, в том числе и при кристаллизации, подчиняются правилу фаз:
С = К + 1 - Ф,
где С - число степеней свободы, т.е. количество независимых переменных (например, концентрация компонентов, температура и давление), изменение которых не приводит к изменению состояния равновесия системы, т.е. к изменению числа фаз, находящихся в равновесии. К - число компонентов, образующих систему; Ф - число фаз, находящихся в равновесии; 1 - число внешних факторов (температура);
Типы диаграмм состояния. Диаграмму состояния строят в координатах «температура - концентрация». Таким образом, каждая точка диаграммы отвечает определенному составу сплава при определенной температуре в условиях равновесия. Тип диаграмм состояния зависит от характера взаимодействия компонентов, т.е. от того, какие фазы в твердом состоянии образуют компоненты друг с другом.
Диаграмма состояния сплавов, образующих неограниченные твердые растворы. Два компонента А и В с температурами плавления соответственно ТА и ТВ в жидком и твердом состоянии полностью растворяются друг в друге. Линию ТА а ТВ, (рис. 5.1 а) называют линией ликвидус. Линия ликвидус - это геометрическое место точек (температур) начала кристаллизации сплавов. Выше линии ликвидус сплав находится в жидком состоянии (Ж). Линию ТА в ТВ называют линией солидус. Линия солидус - это геометрическое место точек (температур) конца кристаллизации сплавов. Ниже линии солидус все сплавы находятся в твердом состоянии (α -твердый раствор). Между линиями ликвидус и солидус сплавы состоят из двух фаз: жидкой и твердой. Для определения количества жидкой и твердой фаз и их химического состава (концентрации) при любой температуре, лежащей между линиями ликвидус и солидус, используют правило " отрезков".
Рисунок 5.1 – Диаграмма состояния сплавов, образующих неограниченные твердые растворы (а) и кривые охлаждения (б)
Пусть требуется определить объемное содержание и химический состав (концентрацию) жидкой и твердой фазы в точке 0 (при температуре То и концентрации II) (рис. 5.1 а). С этой целью через точку 0 проводят горизонтальную линию, параллельную оси концентрации, называемую конодой, до пересечения с линиями ликвидус и солидус (линия аоб). Точка пересечения коноды с линией ликвидус (точка а), спроецированная на ось концентрации, покажет химический состав жидкой фазы (nж) при температуре t0 (рис. 5.1. а). Точка пересечения коноды с линией солидус (линия в), спроецированная на ось концентрации, покажет химический состав твердой фазы (nα ) при той же температуре. Для определения количества жидкой или твердой фазы при температуре То (рис. 5.1 а) нужно взять отношение длины отрезков, расположенных противоположно составу фаз, к длине всей коноды. В нашем случае количество жидкой (Vж ) и твердой (Vα ) фаз будет равно соответственно:
Рассмотрим кривые охлаждения чистых компонентов и сплавов (рис. 5.1 б). Температура охлаждаемого чистого компонента равномерно понижается (С=1+1-1=1) (моновариантная система) до температуры ТА, при которой компонент А переходит в твердое состояние. Процесс кристаллизации компонента А происходит при постоянной температуре (горизонтальное плато на кривой охлаждения) (рис. 5.1 б, кривая 1), т.к. согласно правилу фаз две фазы – твердая и жидкая – могут находиться в равновесном состоянии только при строго постоянной температуре (С=1+1-2=0) (нонвариантное состояние). После кристаллизации компонента А температура снова будет равномерно понижаться. Аналогично может быть рассмотрена кристаллизация компонента В (рис. 5.1 б, кривая III). При охлаждении сплава II, температура понижается до Т1 (рис. 5.1 б). При температуре Т2 начинается процесс кристаллизации сплава и на кривой отмечается перегиб (критическая точка). Процесс кристаллизации сплава протекает в интервале температур, т.к., согласно правилу фаз, число степеней свободы будет равно С=1 (С=2+1-2=1). При достижении температуры Т2 сплав полностью кристаллизируется и при более низких температурах наблюдается процесс охлаждения только α -твердого раствора. Аналогично кристаллизируются и другие сплавы этой системы.
Диаграмма состояния сплавов, образующих механические смеси из чистых компонентов. Два компонента А и В с температурами плавления соответственно ТА и ТВ в жидком состоянии неограниченно растворимы, а в твердом состоянии нерастворимы. Линия ТАСТВ является линией ликвидус, линия ТЭСD – линией солидус (рис. 5.2 а). При охлаждении сплава на линии ТАС начинают выделяться кристаллы компонента А, а на линии С ТВ кристаллы компонента В. На линии ТЭСD (при температуре Тэ) из жидкости концентрации С одновременно выделяются кристаллы А и В. Образующаяся механическая смесь называется эвтектикой. Эвтектическое превращение – это превращение, при котором жидкость, определенного состава при постоянной и самой низкой для данной системы температуре кристаллизуется одновременно в смесь нескольких фаз. Рисунок 5.2 – Диаграмма состояния сплавов, образующих механические смеси из чистых компонентов (а) и кривые охлаждения (б)
Кривая охлаждения эвтектического сплава концентрацией (I) показана на рис. 5.2 б, кривая I. При температуре ТЭ она имеет горизонтальное плато, свидетельствующее о том, что кристаллизация эвтектики происходит при постоянной температуре (C=2+1-3=0). Сплавы, расположенные слева от эвтектического сплава, называются доэвтектическими; расположенные справа – заэвтектическими. Кривая охлаждения сплава II, отличного от эвтектического, показана на рис. 5.2 б, кривая II. Для определения количества жидкой и твердой фаз и их химического состава (концентрации) при температурах, лежащих между линиями ликвидус и солидус, используют вышерассмотренное правило отрезков. Отличие заключается лишь в том, что коноду проводят до пересечения одной из осей концентрации (рис. 5.2 а). Это свидетельствует о том, что твердая фаза кристаллизуется в виде чистого компонента В (рис. 5.2 а) или А (в доэвтектическом сплаве). Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состоянии. Два компонента А и В с температурами плавления ТА и ТВ неограниченно растворимы в жидком состоянии и ограниченно в твердом. Твердый раствор атомов компонента В в кристаллической решетке компонента А называется α -раствором; твердый раствор А в В называется β -раствором. В зависимости от того, какая реакция протекает в условиях существования трех фаз (ж, α, β), в нонвариантном состоянии могут быть два вида диаграмм: с эвтектикой и перитектикой.
Диаграмма с эвтектикой. Линия ТАС ТВ является линией ликвидус; линия ТАDE ТВ – линией солидус (рис. 5.3 а). При концентрации компонентов в пределах отрезка DE сплав испытывает эвтектическое превращение при температуре Тэ, которое протекает при постоянной температуре (рис. 5.3 б, кривая I).
Рисунок 5.3 – Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состоянии (с эвтектикой) (а) и кривые охлаждения (б)
При охлаждении сплава П выделение твердого α -раствора начинается при температуре Т1 (рис. 5.3 а). При температуре Т2 кристаллизация заканчивается. Полученные кристаллы α -раствора не претерпевают изменения до температуры Т3. Ниже этой температуры твердый α -раствор является пересыщенным и выделяет избыточные кристаллы β -твердого раствора (рис. 5.3 а). Кривая охлаждения этого сплава представлена на рис. 5.3 б, кривая П. Кристаллы β, выделившиеся из твердого раствора, в результате ограничения растворимости, называются вторичными кристаллами и обозначаются (β п), в отличие от первичных кристаллов, выделяющихся из жидкости. Для определения количества жидкой и твердой фазы и их химического состава при температурах, лежащих между линиями ликвидус и солидус, используют вышерассмотренное правило отрезков (рис. 5.3 а). Диаграмма с перитектикой. При перитектическом превращении жидкость реагирует с ранее выпавшими кристаллами и образует новый вид кристаллов. Линия ТАС ТВ является линией ликвидус; линия ТАEDТВ – линией солидус (рис. 5.4 а), При концентрации компонентов в пределах отрезка СВ сплав испытывает перитектическое превращение при постоянной температуре Тn. Кривые охлаждения при перитектическом превращении сплавов представлении на рис. 5.4 б.
Рисунок 5.4 – Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состоянии (с перитектикой) (а) и кривые охлаждения (б)
Объемное содержание жидкой и твердой фазы и их химический состав определяется так же, как и в предыдущих случаях.
Диаграмма состояния сплавов, образующих устойчивое химическое соединение. Химическое соединение характеризуется определенным соотношением компонентов (AnBm). Это отражается на диаграмме вертикальной линией, проходящей на оси абсцисс через точку, отвечающую соотношению компонентов в химическом соединении (рис. 5.5). Твердыми фазами такой системы являются компоненты А, В и химическое соединение AnBm с температурой плавления L. Линия ТАE1LE2ТВ является линией ликвидус; линия СDFK – линией солидус. На диаграмме имеются две эвтектические точки E1 и E2 (рис. 5.5). Так как химическое соединение плавится при постоянной температуре, его можно рассматривать как однокомпонентную систему. В этом случае диаграмму, представленную на рисунке 5.5, можно рассматривать как две диа- граммы состояния сплавов, образующих механическую смесь кристаллов чистых компонентов, приставленные друг к другу. Отличие состоит лишь в том, что кроме выделения кристаллов чистых компонентов A и В, на линиях E1L и LE2 происходит еще образование кристаллов химического соединения AnBm (рис. 5.5). Построение кривых охлаждения, а также расчет объемного содержания жидкой и твердой фазы и их химического состава проводят так же, как для диаграмм сплавов, образующих механическую смесь кристаллов чистых компонентов.
Рисунок 5.5 – Диаграмма состояния сплавов, образующих устойчивое химическое соединение
|