Тройные диаграммы

б

а

Рисунок 4.2 – Поверхность начала кристаллизации двойной эвтектики А+В в пространственной диаграмме состояния А­В­С (а) и ее проекция на плоскости концентрационного треугольника (б)

Поверхности ликвидусов компонентов, поверхности начала кристалли­ зации двойных эвтектик и плоскость солидуса разбивают всю диаграмму со­ стояния рассматриваемой тройной системы на восемь фазовых объемов. Вы­ ше поверхностей ликвидуса находится объем однофазного жидкого состоя­ ния сплавов, ниже плоскости солидуса mnk – трехфазный объем, соответст­ вующий смеси кристаллов А+В+С. Между поверхностью ликвидуса компо­ нентов и поверхностями начала кристаллизации двойных эвтектик располо­ жены объемы двухфазного состояния сплавов Ж+А, Ж+В и Ж+С. Между по­ верхностями начала кристаллизации двойных эвтектик и плоскостью тройной эвтектики mnk находятся объемы трехфазного состояния сплавов Ж+А+В, Ж+В+С и Ж+А+С. На плоскости тройной эвтектики в равновесии находятся жидкий раствор, фигуративная точка которого соответствует точке тройной эвтектики Е′, и кристаллы компонентов А, В и С: ЖЕ′ А+В+С.

Проекция диаграммы состояния системы А­В­С на плоскость концен­ трационного треугольника показана на рисунке 4.3.

Проекциями поверхностей ликвидуса компонентов А, В и С являются области Ае1Ее3А, Ве2Ее1В и Се3Ее2С соответственно. Кривые е1Е, е2Е и е3Е ­ это проекции кривых двойных эвтектик А+В, В+С и А+С соответственно. Стрелки на этих кривых указывают направление понижения температуры. Поверхности начала кристаллизации двойных эвтектик А+В, В+С и А+С про­ ецируются в треугольники АВЕ, ВЕС и АЕС, а плоскость тройной эвтектики и солидус системы – в треугольник АВС.

80

Рисунок 4.3 – Проекция пространственной диаграммы состояния А­В­С (см. рис.4.1) на плоскости концентрационного треугольника

В практической деятельности обычно используют изотермические и политермические разрезы диаграммы состояния.

Построение изотермического разреза при температуре Тq (Te1′> Тq> Te2′) на пространственной диаграмме состояния показано на рисунке 4.4,а. Этапы построения изотермических разрезов рассмотрены раннее (см. лекцию 7). Кривые 1′y′, y′4′ и 2′3′ на рисунке 4.4,а являются изотермами ликвидусов компонентов А, В и С соответственно. Прямые dy′ и y′p – это следы от пере­ сечения горизонтальной плоскостью линейчатых поверхностей начала кри­ сталлизации двойной эвтектики А+В. Треугольник y′dp – конодный треуголь­ ник, соответствующий трехфазному равновесию Жy′ A+B. Изотермический разрез с обозначенными фазовыми областями и конодами показан на рисунке

4.4,б.

Рисунок 4.4 – Построение изотермического разреза в пространственной диаграмме состоя­ ния А­В­С (а) и изотермический разрез (б)

81

Рассмотрим некоторые политермические разрезы пространственной диаграммы состояния (см. рисунок 4.1). Рекомендуемые этапы построения таких разрезов рассмотрены ранее (см. лекцию 8).

Положение вертикальных плоскостей на диаграмме состояния, пред­ ставленной в проекциях, показано на рисунке 4.5. Характерные сплавы разре­ зов обозначены цифрами 1…9.

Вполитермический разрез KD попадают: кривая ликвидуса компонента

А­ 1′3′, кривая ликвидуса компонента В ­ 3′5′, прямая солидуса ­ 1′′5′′, кривая поверхности начала кристаллизации двойной эвтектики А+С ­ 1′′′2′, кривые поверхностей начала кристаллизации двойной эвтектики А+В ­ 2′3′ и 3′4′, кривая поверхности начала кристаллизации двойной эвтектики В+С ­ 4′5′′′. На рисунке 4.6,а обозначены фазовые области.

Рисунок 4.5 – Положение вертикальных плоскостей KD и MN

Рисунок 4.6 ­ Политермические разрезы диаграммы состояния: а ­ KD; б ­ MN

82

Политермический разрез MN проходит через вертикаль ВВ′ простран­ ственной диаграммы состояния, изображенной на рисунке 4.1. В разрез попа­ дают: кривая ликвидуса компонента А ­ 6′8′, кривая ликвидуса компонента В ­ 8′В′, прямая солидуса ­ 6′′9′, кривая поверхности начала кристаллизации двойной эвтектики А+С ­ 6′′′7′, кривая поверхности начала кристаллизации двойной эвтектики А+В ­ 7′8′ и прямая этой поверхности ­ 8′9′′. След от сече­ ния вертикальной плоскостью поверхности начала кристаллизации двойной эвтектики А+В на участке 89 (рисунок 4.6,б) представлен прямой, параллель­ ной плоскости концентрационного треугольника, так как эта часть поверхно­ сти совпадает со стороной 89 конодного треугольника 8АВ (см. рисунок 4.5 и образование линейчатых поверхностей диаграммы состояния).

Рассмотрим кристаллизацию тройного сплава N (рисунок 4.7).

Рисунок 4.7­ Кристаллизация сплава N

Фигуративная линия ОN сплава N пересекает три поверхности диа­ граммы состояния в точках 1, 2 и 3. Следовательно, сплав N имеет три крити­ ческие точки, соответствующие температурам Т1, Т2 и Т3. До температуры Т1 охлаждается расплав. В интервале от Т1 до Т2 в сплаве N происходит выделе­ ние первичных кристаллов А. При этом состав жидкого раствора изменяется по кривой ликвидуса от точки 1 до точки d (рисунок 4.7,а). Фигуративная точка кристаллов А перемещается по вертикали А′А от точки r до h. Этот процесс можно описать в виде выражения:

83

T1−T2

Ж1d ® A.

На проекции диаграммы состояния А­В­С (рисунок 4.7,б) этой стадии первичной кристаллизации компонента А соответствует перемещение точки состава жидкой фазы по прямой, являющейся продолжением отрезка АN от точки N до d1. В любой момент этой стадии кристаллизации состояние сплава описывается конодой, соединяющей фигуративные точки равновесных фаз.

Количество каждой фазы при температуре Т2 согласно правилу рычага равно

После окончания первой стадии кристаллизации фигуративная точка жидкого раствора оказывается на кривой двойной эвтектики е1′Е′ (рисунок 4.7,а). Жидкость становится насыщенной относительно как кристаллов А, так и кристаллов В. Начинается кристаллизация двойной эвтектики А+В. На­ чальное состояние сплава при этом характеризуется конодным треугольником dhq (треугольник Аd1B на рисунке 4.7,б). В процессе кристаллизации двойной эвтектики состав жидкой фазы изменяется по кривой двойной эвтектики е1′Е′ от точки d до точки Е′ (рисунок 4.7,а), а фигуративные точки кристаллов А и В перемещаются по вертикалям АА′ и ВВ′ соответственно. Конечное состоя­ ние сплава на этой стадии кристаллизации характеризуется конодным тре­ угольником Е′mn.

Вторую стадию кристаллизации можно записать в виде реакции:

T2−T3

ЖdE′ ® A + B.

На проекции диаграммы состояния (рисунок 4.7,б) этой стадии соответ­ ствует ряд проекций конодных треугольников, одна из вершин которых пере­ мещается по проекции кривой двойной эвтектики А+В от точки d1 до точки Е, а две другие находятся в точках А и В. В конечный момент этой стадии кри­ сталлизации жидкая фаза окажется в точке Е и треугольник АЕВ будет яв­ ляться проекцией треугольника, который описывает равновесие между этой жидкой фазой и кристаллами компонентов А и В. Количество жидкой фазы ЖЕ можно определить из соотношения:

Nk

mЖE = Ek × mсплава.

84

Жидкость, состояние которой соответствует фигуративной точке Е′ (ри­ сунок 4.7,а), будет насыщена как относительно кристаллов А и В, так и кри­ сталлов компонента С (конодный треугольник mnk). Поэтому из этой жидко­ сти кристаллизуется тройная эвтектика по реакции:

T3=TE′

ЖE′ ® A + B+ C.

Вариантность четырехфазного состояния в трехкомпонентном сплаве при постоянном давлении равна нулю (С=К­Ф+1=3+4­1=0). Поэтому процесс кристаллизации тройной эвтектики будет происходить при постоянной тем­ пературе.

При дальнейшем охлаждении фазовый состав сплава не изменяется. Сплав остается трехфазным и будет собой представлять смесь трех видов кристаллов: кристаллов компонентов А, В и С.

Кривая охлаждения сплава N и схема его микроструктуры представле­ ны на рисунке 4.8. Сплав N имеет три структурные составляющие: первичные кристаллы А, двойную эвтектику А+В и тройную эвтектикуА+В+С.

Рисунок 4.8 – Кривая охлаждения и микроструктура сплава N

Количество тройной эвтектики будет равно количеству жидкости, соот­ ветствующей фигуративной точке Е (рисунок 4.7,б), т.е.

Nk

mэвт (А+В+С) = mЖE = Ek × mсплава.

Тогда количество двойной эвтектики можно определить из соотноше­

ния:

85

Проведенный выше анализ процессов кристаллизации сплава N пока­ зывает, что рассмотрение отдельных стадий кристаллизации тройных сплавов можно производить, используя только проекцию диаграммы состояния на плоскость концентрационного треугольника. Поэтому в дальнейшем при рас­ смотрении процессов кристаллизации сплавов будем пользоваться только проекцией диаграммы состояния.

Процессы, происходящие при кристаллизации сплавов М, К и Е (рису­ нок 4.9) можно записать в виде следующих реакций:

Кривые охлаждения сплавов и схемы их микроструктур представлены на рисунке 4.10.

Рисунок 4.9 – Фигуративные точки тройных сплавов системы А­В­С

86

Рисунок 4.10 ­ Кривые охлаждения сплавов и схемы микроструктур сплавов M (а); K (б); E(в).

Микроструктура сплава М состоит из двух структурных составляющих: двойной эвтектики А+С и тройной эвтектики А+В+С. Сплав К также имеет две структурные составляющие: первичные кристаллы В и тройную эвтекти­ ку А+В+С. Структура сплава Е состоит из одной структурной составляющей

– тройной эвтектики А+В+С. Все тройные сплавы имеют по три фазовых со­ ставляющих: кристаллы компонентов А, В и С.

К рассмотренному типу диаграммы состояния можно отнести диаграм­ мы состояния систем Si­Sn­Zn, Pb­Sb­Ge и ряд других.

Контрольные вопросы к подразделу 4.1

1.Нарисуйте в проекциях диаграмму состояния тройной системы А­В­С с нонвариантным эвтектическим равновесием Ж А+В+С и практически полным отсутствием растворимости компонентов в твердом состоянии.

2.Какие би­, моно­ и нонвариантные фазовые равновесия характерны для этой системы А­В­С?

3.Перечислите все поверхности рассматриваемой диаграммы состояния. 4.Что собой представляет поверхность ликвидуса этой тройной систе­

мы?

87

5.Укажите проекции поверхностей ликвидусов компонентов А, В и С на плоскости концентрационного треугольника.

6.Как называют кривые, по которым пересекаются поверхности ликви­

дуса?

7. Как называют точку, в которой пересекаются три кривые двойных эв­ тектик?

8.Что представляет собой поверхность солидуса рассматриваемой трой­ ной системы А­В­С?

9. Какие линейчатые поверхности имеет диаграмма состояния системы А­В­С? Покажите проекции этих поверхностей на плоскости концентрацион­ ного треугольника.

10.Объясните, как образуются поверхности начала кристаллизации двойных эвтектик А+В, В+С и А+С?

11.Какую информацию можно получить из изотермических разрезов диаграммы состояния, построенных при разных температурах?

12. Какую информацию можно получить из политермического разреза диаграммы состояния?

13.Рассмотрите кристаллизацию сплавов, фигуративная точка которых находится в точке тройной эвтектики Е, на кривых двойных эвтектик и дру­ гих областях концентрационного треугольника диаграммы состояния рас­ сматриваемой тройной системы. Сколько критических точек имеет каждый сплав? Нарисуйте кривые охлаждения сплавов. Укажите фазовый состав сплавов и их структуру при комнатной температуре.

14.Какие реальные металлические системы можно отнести к подобному типу диаграмм состояния?

Лекция 13

План лекции

Изображение диаграммы состояния системы с тройной эвтектикой и ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии, уменьшающейся с понижением температуры, в пространстве и про­ екциях.

Фазовые превращения в сплавах.

88

4.2. Система с тройной эвтектикой и ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии, уменьшающейся с понижением температуры

Известно, что существование систем с абсолютной нерастворимостью компонентов в твердом состоянии принципиально невозможно, всегда имеет место хотя бы незначительная растворимость. Поэтому целесообразно рас­ смотреть диаграмму состояния тройной системы А­В­С с нонвариантным эв­ тектическим равновесием Жα+β+γ и взаимной растворимостью компонен­ тов в твердом состоянии, уменьшающейся с понижением температуры (ри­ сунок 4.11). Эта диаграмма состояния ограничена тремя двойными системами А­В, В­С и А­С эвтектического типа.

Всистеме образуются три граничных тройных твердых раствора α, β и

γна основе компонентов А, В и С соответственно. Граничные растворы уча­ ствуют в бинарных фазовых равновесиях Жα, Жβ и Жγ, моновариант­ ных эвтектических равновесиях Жα+β, Жβ+γ и Жα+γ, а также в нон­

вариантном эвтектическом равновесии ЖЕ′ αa′+βb′+γ c′.

Ликвидус системы состоит из трех поверхностей: А′е1′Е′е2′А′ (поверх­

ность начала кристаллизации α­раствора), В′е2′Е′е3′В′ (поверхность начала кристаллизации β­раствора) и С′е1′Е′е3′С′ (поверхность начала γ­раствора). Эти три поверхности проектируются на плоскость концентрационного тре­ угольника в области Ае1Ее2А, Ве2Ее3В и Се1Ее3С (см. рисунки 4.12 и 4.11,б).

Названные поверхности пересекаются по трем эвтектическим кривым е1′Е′, е2′Е′ и е3′Е′ (рисунок 4.11), которые сходятся в одной эвтектической точ­ ке Е′ ­ точке тройной эвтектики (на плоскости концентрационного треуголь­ ника кривые е1Е, е2Е, е3Е и точка Е, рисунки 4.12 и 4.11,б).

Солидус системы имеет сложное строение. Он состоит из трех поверх­ ностей (А′а2′а′а3′А′, В′b2′b′b3′B′ и C′c2′c′c3′C′, рисунок 4.11), отвечающих тем­ пературам конца кристаллизации граничных α­, β­ и γ­ растворов, трех ли­ нейчатых поверхностей а2′а′b′b2′а2′, b3′b′c′c3′b3′ и a3′a′c′c2′a3′, соответствующих температурам конца кристаллизации двойных эвтектик α+β, β+γ, α+γ и, на­ конец, эвтектического треугольника а′b′c′а′.

На плоскость концентрационного треугольника (рисунок 4.13) перечис­ ленные выше поверхности проектируются соответственно в области Аа2аа3А, Вb2bb3B и Cc2cc3C, а2аbb2а2, b3bcc3b3 и a3acc2a3 и треугольник аbcа. Проекции линейчатых поверхностей отмечены на рисунке 4.13 сплошными линиями, а эвтектический треугольник выделен точками.

89