ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ, ОБРАЗУЮЩИХ НЕОГРАНИЧЕННЫЕ ТВЕРДЫЕ РАСТВОРЫ

Диаграмма состояния для случая полной взаимной растворимости компонентов А и В в жидком и твердом состояниях и изменение энергии Гиббса в зависимости от концентрации и температуры даны на рис. 35.

При температуре выше линии tAatB, называемой линией ликвидус, существует только жидкая фаза Ж. В этой области (рис. 35, б) энергия Гиббса жидкой фазы Gm меньше энергии Гиббса твердого раствора Ga, состоящего из компонентов А и В.

В области ниже линии tA6tB, называемой линией солидус, устойчив a-твердый раствор, так как его энергия Гиббса Ga меньше, чем энергия Гиббса жидкой фазы G* (рис. 35, г).

Между линиями ликвидус и солидус в равновесии находятся жидкая фаза и a-твердый раствор. При температуре t2 (рис. 35, а, в) энергия Гиббса меняется с изменением состава по линии G,Ka6Ga. В интервале tACa (см рис. 35, а) устойчив жидкий раствор, а в интервале Cetn — a-твердый раствор. В интервале СаСб равновесным является двухфазное состояние: жидкость состава точки а(Са) и кристаллы а состава точки б (Сб). Энергия Гиббса этих сплавов определяется прямой аб, являющейся отрезком общей касательной [1]

Диаграмма состояния системы, состоящей из двух компонентов, неограниченно растворяющихся в-жидком и твердом состояниях (а), и энергия Гиббса G растворов С и G при разных температурах (б—г)

Рис. 35. Диаграмма состояния системы, состоящей из двух компонентов, неограниченно растворяющихся в-жидком и твердом состояниях (а), и энергия Гиббса G растворов Сж и Ga при разных температурах г)

к кривым изменения свободной энергии жидкого Gm и твердого Ga растворов.

Построение диаграммы состояния методом термического анализа приведено на рис. 36.

Температура охлаждаемого чистого компонента А равномерно понижается до tA (рис. 36, я, кривая А), при которой компонент А и затвердевает. На кривой отмечается остановка (горизонтальная линия), так как согласно правилу фаз только в этом случае при постоянной температуре могут сосуществовать две фазы — твердая и жидкая (С = 1 -f 1 — 2 = 0). После затвердевания компонента А, когда Ф = 1, температура снова равномерно понижается. Аналогично может быть рассмотрена кристаллизация и компонента В (рис. 36, а, кривая В).

При охлаждении сплава 1 температура понижается до tx (рис. 36, а). При температуре tx начинается процесс кристаллизации и на кривой охлаждения отмечается перегиб (критическая точка), связанный с уменьшением скорости охлаждения вследствие выделения скрытой теплоты кристаллизации.

•Начиная от температуры tx, из жидкого сплава кристаллизуется а-твердый раствор. Процесс кристаллизации протекает при

Построение диаграммы состояния для случая неограниченной растворимости компонентов А и В в твердом и жидком состояниях

Рис. 36. Построение диаграммы состояния для случая неограниченной растворимости компонентов А и В в твердом и жидком состояниях:

а — кривые охлаждения; 6 — диаграмма состояния понижающейся температуре, так как согласно правилу фаз в двухкомпонентной системе при наличии двух фаз (жидкой и кристаллов a-твердого раствора) число степеней свободы будет равно единице (С — 2 + 1 — 2 = 1).

Диаграмма состояния для случая неограниченной растворимости компонентов А и В в твердом и жидком состояниях

Рис. 37. Диаграмма состояния для случая неограниченной растворимости компонентов А и В в твердом и жидком состояниях

При достижении температуры /2 сплав затвердевает, и при более низких температурах существует только a-твердый раствор. Аналогично затвердевают и другие сплавы этой системы.

Если найденные критические точки перенести на диаграмму, где по оси абсцисс нанесен состав сплава, а по оси ординат — температура, и одноименные критические точки (т. е. отражающие одинаковый физический процесс) соединить плавными кривыми, то получится диаграмма состояния системы сплавов А и В, образующих непрерывный ряд твердых растворов (рис. 36, б). Начало затвердевания сплавов происходит при температурах, соответствующих линии ликвидус tAtit9tbt (рис. 36, б).

Температура окончания кристаллизации соответствует линии солидус tAt2titbtB.

В интервале температур между линиями ликвидус и солидус сосуществуют две фазы — жидкий сплав и a-твердый раствор (рис. 36).

Каждой температуре между линиями ликвидус и солидус соответствуют определенные количество и концентрация фаз (рис. 37).

Для определения состава фаз, находящихся в равновесии при любой температуре, лежащей между линиями ликвидус и солидус, нужно через данный температурный уровень t2 или t9 (для сплава, содержащего 50 % В) провести линию, параллельную оси концентрации до пересечения с линиями ликвидус и солидус. Тогда проекция точки пересечения этой линии с ликвидусом (т, mx) на ось концентрации укажет состав жидкой фазы, а точки пересечения с линией солидус (я, nt) — состав твердой фазы (а-раствора).

Линии тп и тгПх и другие, соединяющие состав фаз, находящихся в равновесии, называют конодами. Если точка, которая показывает состав сплава при данной температуре, попадает в область однофазного состояния, например на рис. 37 выше линии ликвидус или ниже линии солидус, то количество данной фазы (по массе) составляет 100 %, а ее состав соответствует исходному составу сплава.

В процессе кристаллизации изменяется не только состав фаз, но и количественное соотношение между ними. Для определения количественного соотношения фаз, находящихся в равновесии при данной температуре, пользуются правилом отрезков (рычага). Согласно этому правилу, например, для определения массового или объемного количества твердой фазы необходимо вычислить отношение длины отрезка, примыкающего к составу жидкой фазы, к длине всей коноды; для определения количества жидкой фазы — отношение длины отрезка, примыкающего к составу твердой фазы, к длине коноды. Следовательно, количество твердой фазы а (в процентах) при температуре t2 определяется отношением отрезка t2m к длине коноды тп а = [t2m/(mn) 100, а масса или объем жидкой фазы Ж = [t2n/{nm) ] 100.

Выделяющиеся кристаллы твердого раствора имеют переменный состав, зависящий от температуры. Однако при медленном охлаждении процессы диффузии в жидкой и твердой фазах (объемная диффузия), а также процессы взаимной диффузии между ними (межфазная диффузия) успевают за процессом кристаллизации, поэтому состав кристаллов выравнивается. В этих условиях сплав после затвердевания будет состоять из однородных кристаллических зерен твердого раствора (см. рис. 31, а), а их состав будет соответствовать исходному составу сплава.

  • [1] Из соображения удобств чаще пользуются процентами по массе, но приустановлении природы образующихся фаз следует пользоваться атомными процентами.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >