диаграмма состояний

В сплав Pb–Sb дополнительно вводят немного меди. Медь

ссурьмой образует химическое соединение Cu2Sb игольчатой формы. Эти кристаллы, выделяясь первыми из жидкой фазы, механически препятствуют возникновению ликвации по плотности (рис. 30).

5.9.Диаграмма состояния сплавов, образующих ограниченные твердые растворы и перитектику

Большинство двойных сплавов, компоненты которых огра-

ниченно растворимы в твердом состоянии, образуют эвтектику, т. е. жидкость кристаллизуется с образованием двух ограниченных твердых растворов: L ↔ α + β (см. диаграмму состояния на рис. 22). Часть сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии образуют перитектику.

Диаграмма состояния с перитектикой показана на рис. 31. Здесь, как и ранее: А и В – компоненты, L, α и β – фазы. Линии ADB и ACFB – линии ликвидус и солидус, соответственно.

Кристаллизация сплавов левее точки D и правее точки F происходит без особенностей с образованием α–и β–твердых растворов, соответственно (сравните с диаграммой состояния, показанной на рис. 22). Иначе происходит кристаллизация сплавов, состав которых лежит между точками D и F.

Сплав II состава точки С называют перитектическим. В промежутке между точками 1 и 2 из жидкости выпадают и растут кристаллы β–твердого раствора. В точке С при температуре tП сплав испытывает перитектическое превращение. Жидкость состава точки D взаимодействуют с ранее выпавшими кристаллами β–твердого раствора состава точки F, в результате чего на межфазной границе L/α образуется новая фаза – твердый раствор αC по реакции:

При этом, согласно правилу фаз, С = 2 – 3 + 1 = 0, т. е. реакция идет при постоянной температуре tП. Соотношение масс фаз LD и βF, необходимое для образования новой фазы αC, определяется с помощью правила рычага: mL/mβ = CF/DC.

Рис. 31. Диаграмма состояния сплава с перитектикой (а); кривая охлаждения (б) и схемы структур (в)

заперитектического сплава III (б) [1, 3]

В доперитектических сплавах I, расположенных между точками D и C, в точке 2 также происходит перитектическое превращение. При этом, согласно правилу рычага, доля выделившейся α–фазы невелика, и имеется избыток жидкой фазы. В связи с этим перитектическая реакция заканчивается образованием новой фазы αC, но остается избыток жидкой фазы LD:

На отрезке 2–3 на зерна α–фазы, образовавшиеся при перитектической реакции, наслаивается α–фаза, выделяющаяся из остаточной жидкости. Затвердевший сплав имеет однофазную структуру, состоящую из зерен α–твердого раствора состава Са.

Сплавы III, расположенные между точками C и F, называются заперитектическими. Кривая охлаждения и схемы микроструктур показаны на рис. 31б, в. Как и в сплавах I и II, на отрезке 2–2′ протекает перитектическая реакция. При этом, в отличие от сплавов I, доля жидкости сравнительно мала, и поэтому она вся уходит на образование новой α–фазы. Избыточной фазой является

предварительно выделившийся β–твердый раствор. Перитектическая реакция заканчивается образованием новой фазы αC и избыточной β–фазы (βF):

После окончания кристаллизации (точка 2′) сплав III имеет двухфазную структуру αC + βF. Эта структура имеет некоторое сходство с эвтектикой Е = α + β, состоящей из чередующихся между собой пластин или зерен α– и β– фаз. Особенность перитектической структуры состоит в том, что зерна β–фазы (сердцевина) окружены оболочкой из α–фазы (см. рис. 31в). [перитектос (греч.) – структура окружения)].

Скорость протекания перитектической реакции, в отличие от эвтектической реакции, весьма мала. Причина состоит в том, что новая твердая фаза, формируемая на межфазной границе жидкость/кристалл, создает диффузионный барьер, подавляющий дальнейший рост новой фазы.

Перитектические реакции встречаются реже, чем эвтектические и эвтектоидные (см. п. 5.11). Они имеют место в сплавах Fe–C (верхний левый угол диаграммы состояния Fe–C), Cu–Zn, Cu–Sn, Ti–Al и др. (см. Приложение 5).

В качестве примера на рис. 32 показана микроструктура сплава 21 %Cu – 79 %Sn, в которой образуется перитектика. Диаграмма состояния Cu–Sn приведена в Приложении 5 (рис. 14).

Рис. 32. Микроструктура сплава 21 %Cu – 79 %Sn (вес. %), полученного литьем в песчаную форму.

Источник: www.doitpoms.ac.uk University of Cambridge

ηε

При охлаждении жидкой фазы формируется первичная ε–фаза. На микрофотографии (рис. 32) ε–фаза имеет более темный цвет по сравнению с оболочкой из η-фазы. Новая η-фаза является продуктом перитектической реакции между ε и жидкостью: L + ε ↔ η. Перитектическая реакция не завершается полностью, поскольку формирование η вокруг ε отделяет η от жидкости и подавляет дальнейший рост η. В конечном счете, оставшаяся жидкость затвердевает путем эвтектической реакции Lизб ↔ η+Sn. На данной микрофотографии строение эвтектики трудно различить, и она выглядит как однородная темная область.

5.10.Диаграмма состояния сплавов, образующих устойчивые химические соединения (4-го рода)

Исходные данные:

•компоненты: А, В (K = 2)

•оба компонента неограниченно растворимы в жидком состоянии, а в твердом состоянии растворимость отсутствует (нет твердых растворов)

•твердые фазы: А, В и АnВm

•АnВm – химическое соединение в котором на n+m атомов соединения приходится n атомов А и m атомов В.

•химическое соединение АnВm образует механические смеси с компонентами А и В.

Химическое соединение АnВm называется устойчивым, если

оно не диссоциирует при нагреве до температуры плавления. Следовательно, это соединение можно рассматривать как третий компонент сплава.

Диаграмма состояния сплавов, образующих устойчивое химическое соединение, показана на рис. 33. На этой диаграмме химическое соединение отображается вертикальной линией, проходящей через точку на оси концентрации, соответствующую соотношению компонентов в химическом соединении АnВm. Точка С соответствует температуре плавления химического соединения.

Данную диаграмму следует рассматривать как две диаграммы состояния для сплавов, образующих механические смеси чистых компонентов (1-го рода) (см. п. 5.3, рис. 11): первая – для системы А – АnВm и вторая – для системы В – АnВm.

5.11.Диаграмма состояния сплавов с полиморфными превращениями

Если один или оба компонента сплава обладают полиморфизмом (способностью изменять тип решетки при изменении температуры), то при охлаждении жидкого сплава сначала будут выделяться кристаллы первичных фаз (первичная кристаллизация), а при достижении температур полиморфного превращения будут формироваться вторичные фазы (вторичная кристаллизация). В результате диаграмма состояния будет состоять из двух частей: верхней, соответствующей первичной кристаллизации, и нижней – вторичной.

Рассмотрим два типа диаграмм состояния сплавов, компоненты которых испытывают полиморфные превращения.

1. Если компоненты А и В имеют по две модификации, причем Аα и Вα, так же как и Аβ и Вβ, изоморфны (одинаковый тип решеток) и образуют непрерывный ряд твердых растворов, то диаграмма состояния имеет вид, показанный на рис. 36а. Видно, что она является «двухэтажной» и построена из двух диаграмм состояния сплавов, образующих неограниченные твердые растворы (см. п. 5.4). Верхняя часть диаграммы соответствует образованию высокотемпературного твердого раствора β = Аβ(Вβ), и нижняя – образованию низкотемпературного твердого раствора α = Аα(Вα).

Рис. 36. Диаграмма состояния сплавов с полиморфными превращениями [1]

2. Если высокотемпературные модификации неограниченно взаимно растворимы друг в друге, а низкотемпературные модификации ограниченно растворимы друг в друге, то диаграмма состояния будет иметь вид, показанный на рис. 36б. Она представляет собой сочетание диаграмм состояния 2-го и 3-го рода (см. рис. 14 и рис. 22).

При температуре, соответствующей линии CЕD (рис. 36б) происходит распад высокотемпературного β–твердого раствора с одновременным выделением α′ и α″ – твердых растворов:

β→ α′ + α″ ,

где α′ = Аα(Вα), α″ = Вα (Аα).

Превращение протекает аналогично кристаллизации эвтектики, но исходной фазой является не жидкость, а твердый раствор. В отличие от кристаллизации эвтектики из жидкости, данное превращение называют не эвтектическим, а эвтектоидным, а смесь полученных кристаллов называют эвтектоидом.

Примером эвтектоида является перлит – смесь феррита и цементита (рис. 37). Перлит – структурная составляющая железо– углеродистых сплавов (сталей и чугунов).

Рис. 37. Микроструктура перлита

в углеродистой стали (Fe-– 0.8 вес. % С). Перлит – эвтектоид, состоящий из чередующихся слоев феррита

[твердый раствор Feα(C), светлая фаза)] и цементита Fe3C, темные пластинки] [4]

20 мкм

Диаграммы состояния наиболее важных двойных металлических сплавов, используемых в технике, в том числе и Fe–C, приведены в Приложении 5.

6. Диаграммы состав – свойства

Между типом диаграммы состояния и свойствами сплава существует определенная взаимосвязь. На рис. 38 приведены четыре основных типа диаграмм состояния и соответствующие им зависимости механических свойств сплава (твердость НВ и прочность σВ) от концентрации. Точки А и В на ординатах обозначают свойства (твердость, прочность) чистых компонентов. Эти закономерности исследовал Н. С. Курнаков; их называют диаграммами состав–свойства.

Рис. 38. Диаграммы состав–свойства сплавов при различном характере взаимодействия компонентов (по Курнакову Н. С.). Верхний ряд: диаграммы состояния; нижний ряд: зависимости твердости и прочности от состава [1]

по кривой с максимумом (рис. 38б). Упрочнение связано с искажением решетки и формированием остаточных напряжений (твердорастворное упрочнение).

3.При образовании ограниченных твердых растворов (рис. 38в) свойства в интервалах концентраций, соответствующих однофазным областям существования ограниченных твердых растворов α и β, изменяются по криволинейному закону, как в случае (б). В двухфазной области диаграммы свойства изменяются по линейному закону по аналогии со случаем (а), реализуемым для механических смесей. Крайние точки на прямой соответствуют свойствам предельно насыщенных твердых растворов α и β.

4.При образовании химического соединения АnВm свойства этого соединения отмечаются на кривой свойства– концентрация особой (сингулярной) точкой (рис. 38г). Сама

диаграмма состав–свойства состоит из двух диаграмм, соответствующих сплавам, образующим механические смеси. Диаграммы состав–свойства имеют большое практическое

значение. Кроме прочностных характеристик (твердость, прочность) они позволяют предсказать такие физические свойства сплавов как электропроводность, а также некоторые технологические свойства (литейные свойства, обрабатываемость резанием).

7. Лабораторная работа. Построение и анализ диаграммы состояния висмут–кадмий

7.1.Цель работы

1.Построить диаграмму состояния системы висмут–кадмий (Bi-Cd) термическим способом

2.Ознакомиться с микроструктурой доэвтектического, эвтектического и заэвтектического сплавов Bi-Cd

3.Используя правило отрезков и правило рычага, определить концентрацию Cd в жидкой и твердой фазах в двухфазных областях, а также массовую долю этих фаз.