§ 6.5. Різновиду типових діаграм стану двухкомпонентных сплавів

Кілька таких діаграм (не для завчання!) приведені на мал. 6.4. Стрільцями показано, як утворені ці діаграми. Механізм утворення фаз, що відзначені на приведених діаграмах, приведений у наступному параграфі.

У цьому параграфі роз'ясняється суть понять, засвоєння яких необхідно для пророблення наступного матеріалу, зв'язаного з розбором діаграм стану.

Діаграми стану з обмеженою розчинністю компонентів у твердому стані. Термодинамічний потенціал двухфазных сумішей деяких сплавів нижче, ніж однофазного твердого розчину. У цих випадках твердий розчин, що утворився, а при температурі Т' розпадається на суміш твердих розчинів у1+про12. Тоді діаграми (мал. 6.4, а, б) перетворюються (показано стрільцями) у діаграми, показані на мал. 6.4, у, з.

Якщо температура утворення суміші твердих розчинів вище температури солідус, то утворяться нові типи діаграм стану (мал. 6.4, м. і). У цих випадках а-твердий розчин компонента В в А, р — твердий розчин компонента А в розчиннику В. Утворення горизонтальних ліній (мал. 6.4,м, і} викликано тим, що при выкристаллизовывании суміші двох твердих

фаз з рідини число ступенів волі системи дорівнює нулю, що випливає з правила фаз Гиббса З==К-Ф+1==2—3+1= ==0. Це значить, що кристалізація повинна протікати при постійній температурі Т' і склад фаз при цьому строго постійний: склад ст-фазы відповідає проекції крапки а, р-фазы — проекції крапки Ь, а склад рідкої фази Ж відповідає проекції крапки е (мал. 6.4,м,ы).

Такі перетворення в сплавах, при яких число ступенів волі дорівнює нулю, називаються нонвариантными перетвореннями. Суть таких перетворень може бути різна. Так, рідка фаза Ж постійного складу е' при постійній температурі Т' перетворюється в суміш двох твердих фаз а +р. Таке перетворення називається эвтектическим (мал. 6.4, г). Схематично його можна записати так: Же'-»-Э((Ха+р»), де індекси при фазах— склади фаз при перетворенні.

Таким чином, эвтектическим перетворенням називається перетворення, коли рідка фаза постійного складу при постійній температурі перетворюється в суміш двох твердих фаз.

Інший вид нонвариантного перетворення, показаний на мал. 6.4, і. При цьому перетворенні рідка фаза складу, що відповідає крапці е', взаємодіє з кристалами р складу крапки Ь' і утвориться новий вид кристалів а складу крапки а'. Таке перетворення називається перитектическим і схематично записується Ж' -т-р*-*- Оа.

Таким чином, перитектическим називається перетворення, коли при взаємодії рідкої і твердої фаз при постійній температурі утвориться одна нова тверда фаза.

Використовуючи правило для визначення складу фаз, можна бачити (мал. 6.4, г), що лінії діаграми саЛ показують, як змінюється гранична розчинність компонента В в твердому розчині » зі зміною температури. Лінії }Ыг показують, як змінюється гранична розчинність компонента А в твердому розчині р зі зміною температури. Легко можна довести це, визначаючи склад фаз у будь-якій крапці двухфазных областей сае, ^Ье і з1аЫг, проводячи конод у через будь-які узяті крапки в цих областях.

№ 11. Який склад твердого розчину в у крапці р (мал. 6.4,г)? Відповідь: склад а відповідає: I) проекції крапки т, див. с. 186; 2) проекції

рп

крапки про, див. с. 186; 31 відношення відрізків ——, див. з 186 тп

При розборі діаграм стану (мал. 6.4, г) у будь-який двухфазной області також можна визначити кількість фаз по

відношенню відрізків коноды.

№ 12. Яке кількість оси-фази в крапці р (мал. 6.4, г)? Відповідь: 1) р==-', див, с. 186; 2) р дорівнює проекції крапки п, див. з 180.

Діаграма стану при відсутності розчинності компонентів у твердому стані. Установивши, що лінії сас1 і ]Ы<

(мал. 6.4, г) показують, як змінюється граничний зміст компонентів у твердих розчинах вир, легко представити, як перетвориться діаграма стану, якщо розчинність компонентів у твердих розчинах а і р дуже мала, наприклад 0,01 %. Очевидно, що лінія сад. зіллється з віссю температур із крапки Л, лінія {Ыг — з віссю температур із крапки В — і діаграма перетвориться в приведену на мал. 6.4, <Э. Використовуючи правило для визначення складу фаз у двухфазных областях цієї діаграми, побачимо, що в даному випадку твердими фазами в двухфазных областях будуть чисті компоненти А и В.

М 13. Які склад і природа твердої фази в крапці п діаграми (мал. 6.4, Д)?

Відповідь: склад відповідає: 1) проекції крапки п, це твердий розчин, див. с. 186; 2) проекції крапки і, це компонент У, див. с. 187.

Діаграма стану сплавів, коли компоненти утворять стійку хімічну сполуку. Відмітною ознакою таких діаграм стану є наявність максимуму в лінії ліквідус. Проекція крапки максимуму на концентраційну вісь відповідає складу хімічної сполуки АтВп (мал. 6.4, е). Тому що хімічна сполука має зовсім відмінні властивості від властивостей компонентів, що сплавляють, (див. §6.1), та хімічна сполука можна розглядати як самостійний компонент. Це спрощує розбір діаграми стану, яку можна розглядати складається з двох діаграм стану з компонентами А+Атвл і В+Ат.Вп (мал. 6.4, е).

Що стосується виду діаграми стану, то вона може бути досить різної в залежності від того, як взаємодіють компоненти А и В між собою і з хімічною сполукою. На мал. 6.4, е показаний випадок, коли в компоненті А компонент В в твердому стані не розчиняється, а компонент А в компоненту В розчиняється й утворить твердий розчин р з обмеженою розчинністю. У хімічній сполуці АтВл компоненти А и В у твердому стані не розчиняються. Як показано стрільцями на мал. 6.4, д. м, е, діаграма стану на мал. 6.4, д є комбінація з діаграм, показаних на мал. 6.4, д и г.

Діаграми стану сплавів, коли компонент має поліморфне перетворення у твердому стані. Одна з таких діаграм стану представлена на мал. 6.4, ж. У цьому випадку компонентів А має поліморфні перетворення у твердому виді при температурах крапок & і з, компоненти В таких перетворень не мають. Різновидів таких дпа1рамм стани може бути дуже багато. На мал. 6.4, ж приведений випадок, коли у всіх модифікаціях компонента А компонент В обмежено розчиняється у твердому виді, утворити тверді у- Р-> а-розчини. У компоненті В компонент А в твердому стані не розчиняється. Методом визначення складу фаз у двухфазных областях легко можна установити, що відзначені на діаграмі фази

у двухфазных областях дійсно відповідають приведеним.

Як видно з мал. 6.4, ж, сплави цієї системи мають три різних нонвариантных перетворення (горизонтальні ділянки тп1м, з1е1, Ндр).

Л 14. Яке перетворення має місце, що відповідає лінії т<А (мал. 6.4, х)?

Відповідь: 1) эвтектическое, див. с. 186; 2) перитектическое, див. с. 184.

Третє нонвариантное перетворення відбувається в соответст* вии з лінією /курей (мал. 6.4, ж). Легко бачити, що при темпера-гурах вище цієї лінії мається фаза р. Нижче температури лінії пдр цієї фази немає. Склад фази р при температурі лінії Нцр відповідає проекції крапки §. Тому що склад інших фаз при цій температурі відповідає проекції крапок і і р, те сутність перетворення при температурі лінії Ь.цр у тім, що тверда фаза Р постійного складу @ перетворюється в механічну суміш двох нових твердих а- і р-фаз. Таке перетворення називається эвтектоидным. Схематично эвтектоидное перетворення можна записати так: Р, -*- Э(а/,+У). Эвтектоидным називається перетворення, коли одна тверда фаза постійного складу при постійній температурі перетворюється в суміш двох нових твердих фаз.

Як видно, по діаграмах стану можна встановлювати не тільки температури фазових перетворень у сплавах будь-якого складу, але і якість і кількість фаз у різних областях діаграми стану. Однак цим не вичерпується практична значимість діаграм стану сплавів. Зокрема, розбираючи процеси, що відбуваються при охолодженні сплаву, по діаграмі стану можна виявити, у якій формі виявляються фази, що утворяться, при охолодженні сплаву.

Форма прояву фаз називається структурою сплаву. Можливість по діаграмі стану прогнозувати структуру, що утвориться зі сплавів різного складу, має дуже велике практичне значення, тому що в двухфазных сплавах не фази, а саме структури сплавів визначають їхні механічні властивості. Так, наприклад, сталі і білі чавуни складаються з тих самих фаз, але властивості цих сплавів сильно розрізняються саме тому, що структури цих сплавів різні.

Ціль вивчення матеріалу цієї глави — навчитися по діаграмі стану встановлювати, які процеси відбуваються в сплавах при їхньому охолодженні, які при цьому утворяться фази і структури сплавів різного складу. Механічно вивчити це неможливо, тому що маються тисячі розроблених діаграм стану сплавів. Тому фахівець повинний уміти думкою представити ті процеси, що відбуваються в сплавах і утворять їхню структуру і властивості. Уміючи представляти це, фахівець у стані оптимально впливати на технологічний процес.

Для цього необхідно: 1) ясне розуміння особливостей будівлі основних фаз у сплавах, якими є тверді розчини, хімічні сполуки, чисті компоненти; 2) знання, як ці фази позначаються; 3) знання ознак" цих фаз;

4) уміння по діаграмі стану визначити склад і кількість фаз; 5) уміння логічно мислити.

Як показує практика навчання, найбільше ефективно можна здійснити розбір сплавів по діаграмі стану, випливаючи оптимальній методиці розбору процесів, що відбуваються при охолодженні заданих сплавів по наявній діаграмі стану.

Для вироблення навички розбору процесів, що відбуваються при охолодженні конкретного сплаву, необхідно обов'язкове виконання наступних дій: будувати криву охолодження сплаву, що розбирається; проти ділянок кривої охолодження схематично зображувати стан фаз (структуру) сплаву;

письмово пояснювати процес, що відбувається в сплаві при розглянутих температурних умовах, У результаті відбувається переклад інформації, графічно закодованої в діаграмі стану, на звичайну мову, тобто розуміння процесів, що відбуваються в сплаві при його охолодженні.

Тому що при розборі процесів, що відбуваються в сплавах при охолодженні, необхідно малювати схеми криві охолодження, зупинимося на тім, що визначає форму криві охолодження, якщо неї відтворюють по діаграмі стану. Коли відбувається охолодження сплаву в однофазному стані, температура сплаву знижується плавно, тому що навколишнє середовище має більш низьку температуру і сплав прохолоджуються. Якщо відбуваються фазові перетворення, то поряд з охолодженням сплаву відбувається виділення схованої теплоти перетворення і швидкість охолодження знижується аж до того, що протягом деякого часу сплав може зберегти постійну температуру. Як протікає охолодження в конкретному випадку, підказує правило фаз Гиббса. Так, при утворенні однієї нової фази З=2—2+1=1 на кривій охолодження виникає перегин. Коли при перетворенні беруть участь три фази З=0, температура перетворення постійна (на кривій охолодження утвориться площадка).

Л 15. На мал. 6.2 криві охолодження міді і нікелю мають горизонтальні ділянки. Криві охолодження сплавів //, ///, IV такої площадки не мають;

мається только перегин. Використовуючи правило фаз Гиббса, доведіть теоретично, що саме такими, як на мал. 6.2, повинні бути криві охолодження досліджених сплавів.

Відповідь: див. с. 186.