§ 6.6. Методичне керівництво для розбору діаграм стану сплавів

1. Діаграму варто акуратно зобразити на чистому листі папера зверху ліворуч, щоб праворуч було місце для изобра-

женин криві охолодження типових сплавів і схем структурних станів. Якщо діаграма складна і займає багато місця, розташуєте її уздовж у лівій частині листа. Праворуч — місце для криві охолодження, унизу — місце для записів і розрахунків. Украй важливо, щоб усі діаграми розташовувалися на одному листі папера. Це дозволяє мати в поле зору всі процеси розбору і значною мірою гарантує від помилок. Ні в якому разі не можна допускати, щоб частина діаграм виявлялася на зворотній стороні листа. Якщо не вистачить місця на одній сторінці, продовжуйте розбір на іншому листі, але щоб обов'язково весь процес розбору був у вас перед очима. Усі дії при розборі діаграми повинні бути письмово пояснені.

2. Вивчити лінію ліквідус діаграми на наявність на ній максимуму. Якщо ліквідус має максимум, то це вказує, що компоненти утворять хімічну сполуку, склад якого відповідає проекції максимуму на вісь абсцис.

3. При наявності максимуму спроецировать його на вісь абсцис і відзначити отриману крапку символом хімічної сполуки.

4. Хімічна сполука варто розглядати як самостійний компонент. Тоді вихідна діаграма може розглядатися як складається з двох діаграм, наприклад компонентів А плюс хімічна сполука і хімічна сполука плюс компонент В. Такий поділ спрощує розбір вихідної складної діаграми стану.

5. Досліджувати осі ординат, по яких виявляються критичні температури фазових перетворень компонентів системи. Якщо на осі мається одна потрійна крапка (крапка перетинання ліній ліквідус і солідус з ординатою), то даний компонент не має фазових перетворень у твердому стані. Якщо крім цієї крапки маються при більш низьких температурах крапки перетинання похилих ліній діаграми з ординатою, то ці крапки характеризують температури поліморфних перетворень компонента у твердому стані.

Наявність поліморфних модифікацій у компонента роблять діаграму стану багатоповерхової: кожна поліморфна фаза може по-різному взаємодіяти з іншим компонентом сплаву. Це сильно ускладнює вид діаграми, але методика розбору діаграм від цього не змінюється.

6. Відзначити на діаграмі типові сплави проведенням відповідних вертикалей (див. мал. 6.5). Якщо на діаграмі відзначені фази в областях її, то досить провести вертикаль від осі складу для досліджуваного сплаву.

7. Розбір перетворень при охолодженні раціонально почати проводити з тих типових сплавів, що примикають до чистих компонентів. Це виявляє однофазні області на діаграмі і спрощує розбір проміжних типових сплавів.

8. Відзначити цифрами 1, 2,..., 5 критичні температури для

досліджуваного сплаву. Такими є крапки перетинання ординати з лініями діаграми.

9. Провести розбір процесів, що перетерплює сплав при охолодженні з рідкого стану. Для цього починайте будувати криву охолодження сплаву з області рідкого стану. У міру зниження температури проти кожної ділянки кривої охолодження зображуйте схематично фази (структури), що у даному інтервалі температур існують, відзначаючи також їхні символи. {

10. При встановленні природи фаз варто мати на увазі, що найважливішими фазами в сплавах можуть бути чисті компоненти, хімічні сполуки, тверді розчини.

10.1. Ознака, по якому мається можливість виявити природу фази, — характер зміни складу фази зі зміною температури. Склад твердого розчину зі зміною температури змінюється, склад хімічної сполуки і чистого компонента, мабуть, постійний. При позначенні фаз чисті компоненти позначаються їхніми символами (А, У), хімічне з'єднаннями-символами типу Ащвя, тверді розчини — малими буквами грецького алфавіту.

10.2. Щоб установити природу фаз у двухфазных областях, необхідно уміти визначати склад фаз. Якщо виявиться, що цікавляча фаза при різних температурах має перемінний склад, то по своїй природі це твердий розчин. Якщо склад постійний, то фаза — або хімічна сполука, або чистий компонент. Яка фаза в конкретному випадку утвориться покаже визначений вами склад. Якщо склад буде відповідати крапкам А або В на концентраційній осі, то по природі ця фаза — відповідний компонент сплаву. Якщо склад фази виявиться рівним складу хімічної сполуки, то фазою, що утвориться, є хімічна сполука.

11. Таким чином, при переході з одна фазового полючи в другое буде виявлятися природа фаз у цих полях. Ні в якому разі не пригадуйте подібних комбінацій у раніше вивчених вами сплавів. Найбільше імовірно, що буде помилка, що спричинить автоматично нові помилки при розборі наступних перетворень у досліджуваному сплаві.

12. Якщо ордината сплаву перетне горизонтальні лінії діаграми, то це значить, що при відповідних температурах співіснують три фази і може відбуватися эвтектическое, эвтектоидное або перитектическое перетворення, число ступенів волі при яких дорівнює нулю.

Зовнішньою ознакою эвтектического і эвтектоидного перетворень є сход похилих ліній на діаграмі стану в потрійну крапку зверху. При перитектическом перетворенні ці лінії сходяться в крапку знизу (див. с. 130).

12.1. Ні в якому разі не ворожіть, яке це превраще-

ние, а виводите його. Цьому і служать схеми фазових станів, що зображені для фазової області, що передує горизонтальної лінії діаграми.

12.2. Для встановлення природи перетворення випливає насамперед, випереджаючи процес охолодження, подивитися, які фази стійкі нижче температури, на якій ви зупинилися. Це робиться подібно п. 10.1.

12.3. Установивши якість фаз, порівняєте, які фази сплав мав вище температури перетворення. Очевидно, перетворюватися буде та фаза, який не виявилося нижче температури досліджуваного перетворення. Та фаза, що була і при температурах наступного фазового полючи, участі в перетворенні не приймає (виключенням може бути перитектическое перетворення).

12.4. Установивши характер преобертової фази (або фаз), варто установити, який його (їх) склад, і порівняти його зі складами інших фаз, що знаходяться в рівновазі при даній температурі.

12.5. Якщо виявиться, що нижче температури перетворення не виявляється однієї фази, що існувала вище температури перетворення, то має місце эвтектическое або эвтектоидное перетворення.

12.6. Якщо в процесі перетворення обидві колишні фази замінилися нової, то має місце перитектическое перетворення. З огляду на, що при цьому перетворенні кількість однієї з преобертових фаз може бути в надлишку, те після перетворення поряд з новою фазою буде і залишок цієї фази, що перетворювалася. Це покаже характер фаз у новому фазовому полі.

12.7. Після того як процес перетворення буде розібраний, зобразите проти нової ділянки кривої охолодження новий фазовий стан (структуру) сплаву і продовжуйте вивчення процесу далі. На рівні нормальної температури виведіть структуру досліджуваного сплаву й установите фази в ряді областей діаграми стану. Паралельно з виконанням розбору ведіть словесне (письмове) пояснення процесів, що відбуваються.

12.8. Для встановлення природи фаз у фазових полях, що залишилися, варто вивчати перетворення в типових сплавів, що перетинають ці фазові полючи. При виробленій навичці можна думкою простежити процеси перетворення при охолодженні цих сплавів і установити характер фаз у необхідних областях. Коли така навичка ще не виробилася, варто провести розбір цих сплавів із зображенням криві охолодження за методикою, подібної розглянутий. |

12.9. Розбір сплаву вимагає граничної уваги, чіт- 1 кого уміння оперирования правилом відрізків для опреде- |

ления складу і кількості фаз і логічного мислення. Нижче приводиться розбір діаграми стану для сплавів, коли компонента обмежено розчиняються у твердому стані і мають эвтектическое перетворення.

Щоб вивчення діаграм стану було максимально продуктивним, перемалюйте на лист папера ліворуч діаграму стану, подібну зображений на мал. 6.5, а, не приводячи в ній символів. Вони будуть з'являтися в міру розбору діаграми. Праворуч від діаграми намалюйте систему координат «температура — час» для зображення криві охолодження сплавів. Самі криві будуть з'являтися в міру розбору диаг раммы.

Розбір цієї діаграми проведемо відповідно до приве денной методики. Дії по П.2...4 показують, що компоненти цієї системи не утворять хімічних сполук і не мають поліморфних перетворень у твердому стані. Згідно п. 6, відзначимо типові сплави 1...У1. Розбір процесу охолодження сплаву / показує, що в інтервалі температур 1...2 утворяться кристали твердого розчину а, тому що склад твердої фази змінюється по лінії з/. При м2 кристалізація закінчилася і нижче прохолоджується сплав, що складається з кристалів твердого розчину а. (Щоб запис був коротше, температура крапки тут і надалі позначена буквою «т».) Розбором сплаву / виявилася встановлена природа фаз в областях діаграми се} (а+Ж) і з11гА(а).

Кристалізація сплаву VI в інтервалі т/.. .2 супроводжується утворенням твердого розчину р, склад якого змінюється по з1Н. Нижче т2 прохолоджується твердий розчин р. Схеми біля кривої охолодження показують суть процесів, що протікають.

Як видно, у сплаву IV одна критична крапка /. Виходить, процес кристалізації протікає при 7'==соп51, що можливо тільки при рівновазі трьох фаз, склад яких також повинний бути постійним. Однією фазою є що кристалізується

Рис. 6.5. Діаграма стану:

а— криві охолодження; б — схема структур типових сплавів

рідина складу е'. Іншими фазами, стійкими при цій температурі, є поїзд-сполука-а-склад крапки /' і Склад^-склад-поїзд-сполука-в-склад крапки /м. Виходить, суть перетворення сплаву IV при кристалізації така:

Же-*-Э(про1у-|-р»1). Це эвтектическое перетворення, у результаті якого утвориться эвтектическая суміш кристалів Э(»-у). Це підтверджує також установлення складу фаз нижче т/. Провівши коноды, бачимо, що склад однієї фази в області 1м}еНп змінюється по лінії /і. Це кристали твердого розчину а. Іншою стійкою фазою є твердий розчин У, склад якого визначає лінія Нп. Тому що при т/ кристалізується весь сплав, то на кривій охолодження утвориться площадка /.../'. У результаті кристалізації сплав IV має эвтектическую структуру Э(а+р), середній склад е', але в рідкому стані через велику рухливість атомів в окремих ділянках обсягу можуть бути значні відхилення від середнього складу (концентраційні флуктуації).

Допустимо, що в деякому мікрообсязі (при досягненні сплавом температури крапки /) склад сплаву дорівнює значенню /. Завдяки цьому створюється можливість утворення зародка а-кристала. При росту В-кристала, багатого компонентом А, викликає збідніння навколишнього розплаву компонентом У, і при досягненні нею складу, що відповідає крапці Н, створюються умови утворення зародка В-кристала. Ріст кристала Р викликає збідніння навколишнього розплаву компонентом У, і при досягненні складу } знову виникають зародки ос-кристалів і т.д. Таким чином, йде процес перетворення рідкої фази складу е' у суміш двох твердих фаз а, і В доти, поки не буде витрачена вся рідка фаза.

Кристалізація сплаву // відбувається в інтервалі т/. ..2 з утворенням кристалів й-твердого розчину, склад якого змінюється по лінії з^. Від т2 до тЗ сплав у стані » прохолоджується. При тЗ починається якась зміна в сплаву. Щоб зрозуміти його, проведемо нижче тЗ коноду і визначимо склад фаз при т4. Видно, що нижче тз стійкими фазами є тверді розчини а і В. Видно також, що при цій температурі в (х-твердом розчині може розчинитися менше компонента В, чим кількість його в розглянутому сплаві. Звідси ясний і зміст процесів, що відбуваються в сплаві // нижче тЗ: із твердого розчину а виділяються кристали твердого розчину В, що поглинають надлишок компонента В в а-твердому розчині сплаву Кристали В, що утворяться з твердої фази, називаються вторинними і позначаються Вц.

Кристалізація сплаву /// відбувається в інтервалі т/. ..2 з утворенням з рідини кристалів а-твердого розчину. При температурі кінця кристалізації т2 механізм процесу істотно відрізняється від сплавів / і //. Причина в тім, що в сплаві /// при досягненні т2 мається багато незакристаллизовавшейся рідини, що визначається за правилом відрізків (див. §6.4). Тому що при т2 конодой служить відрізок /е, те коли-

10

чество Ж== —, або в даному випадку близько 30 % від загального

кількості сплаву. А тому що }еН — лінія солідус, те ця рідина повинна при т2 цілком кристалізуватися. Щоб відповісти на запитання, що утвориться при кристалізації, варто установити склад рідини при т2 сплаву ///. Він відповідає проекции крапки е, тобто має такий же склад, що і сплав IV. Тому при т2 рідка фаза сплаву /// кристалізується за схемою Жс-»-Э('х+Р), утворити эвтектику. Тому після кінця кристалізації в структурі сплаву /// будуть кристали а, що утворилися в інтервалі т/. ..2 і эвтектика Э(а-г-р). При цьому склад кристалів а відповідає крапці {. Тому що при охолодженні сплаву /// розчинність компонента В в «-твердому розчині знижується по лінії }1м, те при охолодженні від т2 з а-кристалів будуть виділятися вторинні кристали Р// і остаточна структура сплаву /// буде (х+Э(а-т-р)+Р//> що відбито біля кривій охолодження сплаву.

При охолодженні сплаву V в інтервалі т/...2 утворяться кристали твердого розчину р, склад яких змінюється по лінії з1Н. Склад рідкої фази змінюється по лінії д.е і при температурі т2 має склад, що відповідає проекції крапки е.

Кількість рідкої фази при т2 буде Ж==-.— і вона перетворюється в эвтектику Ж-*-Э («/+?*). Тому після закінчення кристалізації структура сплаву V буде складатися з кристалів р-)-Э(а-г-р). Тому що розчинність компонента А в р-гвердом розчині в даному випадку при зниженні температури не змінюється, те остаточна структура сплаву буде складатися з р+Э((а-(-Р).

Таким чином, розібрана вся діаграма стану: установлені фази у всіх областях діаграми, а також структури типових сплавів, якими є для сплавів складу від крапки Л до крапки /м кристали а; для сплаву складу від і до /'—»-)-?//; для сплавів складу від У до е'—(х+Э(<х+Р)+Р//> для сплаву складу е'-э(а+Р); Для сплавів складу від е. до гг-р+Э((х+р), для сплавів складу від п до Кристал^-кристали-в-кристали р.

Відзначимо, що сплави складу від крапки }' до крапки е' умовно називаються доэвтектическими, сплави складу від е' до п — эаэвтектическими. На прикладі розбору цієї діаграми видно, яка велика інформація закодована в діаграмах стану і яким образом ця інформація переводиться на звичайну мову.

Для вироблення навички розбору діаграм стану і процесів, що відбуваються при охолодженні заданого сплаву, необхідно за розробленою методикою провести розбір декількох сплавів по більш складній діаграмі (мал. 6.6, а, б).

№ 16. Розібрати процеси, що відбуваються при охолодженні сплаву /// (мал. 6.6,а).

Відповідь: див. с. 185.

А с'

е' р /ипВп /' В ^а)

Т| ^

Час

Рис. 6.6. Крива охолодження (а) і схеми структур сплавів (б)

№ 17. Напишіть схему перетворення сплаву VI (мал. 6.6, а) при лини те діаграми стану.

Відповідь: див. с.187

№ 18. Напишіть схему перетворення сплаву /' і // (мал. 6.6, а) при темпі ратуре лінії сЬ. Визначите склад і кількість фаз, що знаходяться рівновазі при лінії сЬ діаграми.

Відповідь: див. с.187.

№ 19. Розберіть процеси, що відбуваються в сплаві XI (мал. 6.6, а) ін

охолодженні з жидкою стану. Яка утвориться структура після охолодження?

Відповідь: див. с. 187.

№ 20. Розберіть процес структуроутворення сплаву V (мал. 6.6,6).

Відповідь: див. с. 187.

№ 21. З чого складається структура сплаву IX (мал. 6.6,6) після його охлаж дения з рідкого стану?

Відповідь: див. с.187

Після засвоєння методики розбору діаграм стану рекомендується з'ясувати причину появи тих фаз, що відзначені на діаграмах мал. 6.4. Гарне засвоєння матеріалу § 6.4...6.6 допоможе засвоїти наступний матеріал.