Указания к работе

3.1. Диаграмма состояния сплавов двух компонентов, обладающих полной взаимной растворимостью в жидком состоянии, не растворяющихся в твердом состоянии и образующих эвтектику.

Практическим примером диаграмм такого типа является диаграмма состояния сплавов свинца, имеющего температуру плавления 327⁰С, с сурьмой, имеющей температуру плавления 631⁰С.

Проводя на этой диаграмме вертикаль, отвечающую любому составу сплавов, по точкам пересечения ее с линиями диаграмм, определяют температуру начала или конца затвердевания или температуру плавления любых сплавов свинца с сурьмой. Линия АСВ (Рис 1) является кривой начала затвердевания (ликвидус), выше нее все сплавы свинца с сурьмой находятся только в виде однородного жидкого раствора. В области, ограниченной фигурой ACD, сплавы находятся в виде кристаллов свинца и жидкого сплава, а в области, ограниченной фигурой СВЕ, - в виде кристаллов сурьмы и жидкого сплава. Линия DCE является кривой конца затвердевания (солидус), ниже этой линии сплавы находятся только полностью в твердом состоянии, ниже линии DC они состоят из кристаллов свинца и эвтектики, ниже точки С - из одной эвтектики, ниже линии СЕ - из кристаллов сурьмы и эвтектики.

Эвтектика представляет собой механическую смесь кристаллов металлов, не растворяющихся друг в друге в твердом состоянии, которая образуется при переходе сплава из жидкого в твердое состояние, в нашем случае - свинца и сурьмы.

Сплав, содержащий 5% Sb (остальное Pb) затвердевает в интервале температур и имеет на кривой охлаждения две критические точки. Первая (перегиб кривой охлаждения) отвечает началу выделения из жидкого сплава кристаллов свинца, которое продолжается до 246⁰С, В процессе выделения кристаллов свинца оставшийся жидкий сплав обогащается сурьмой до эвтектического состава, поэтому окончательно затвердевает при указанной эвтектической температуре, отвечающей горизонтальному участку кривой охлаждения. В результате, микроструктура затвердевшего сплава состоит из кристаллов свинца и эвтектики (Рис.2 а).

Рис. 1. Кривые охлаждения и диаграмма состояния сплавов свинца с сурьмой

Сплав, состоящий из 13% Sb и 87% Рb, является эвтектическим, его кривая охлаждения имеет одну критическую точку, отвечающую эвтектическому превращению при температуре 246°С. Эвтектический сплав при исследовании под микроскопом обнаруживает характерную структуру из смеси кристаллов свинца и сурьмы (Рис.2 б).

Рис. 2. Микроструктура сплавов системы Pb-Sb (´100):

а - доэвтектический; б - эвтектический; в – заэвтектический

Сплав, богатый сурьмой (60% Sb, остальное - Рb), также затвердевает в интервале температур и имеет на кривой охлаждения две критические точки. Первая отвечает началу выделения из жидкого сплава кристаллов сурьмы, которое в этом случае продолжается до 246⁰С. Жидкая фаза данного сплава, обогащенная свинцом, вследствие выделения кристаллов сурьмы, до эвтектического состава затвердевает при температуре второй критической точки, отвечающей горизонтальному участку на кривой охлаждения, и в результате образуется структура из кристаллов сурьмы и эвтектики (Рис.2 в).

Анализ сплавов производится с применением правила фаз.

Правило фаз определяет число степеней свободы С равновесной системы, в зависимости от числа компонентов К, числа фаз Ф:

С=К-Ф+1

Компонентом называется независимая составная часть системы, которая может быть или химическим элементом, или независимым соединением. К - количество компонентов, образующих изучаемую систему.

Фазой называется однородная часть системы, отделенная от других частей (фаз) поверхностью раздела. Фазами могут быть как сами компоненты, так и их химические соединения, твердые и жидкие растворы.

Числом степеней свободы называют число возможных вариантов изменения температуры, давления и концентрации фаз без изменения числа фаз в системе.

Применяя правило фаз к диаграмме состояния сплавов свинца с сурьмой, у которых число компонентов равно 2 (свинец и сурьма), получим С=2+1-Ф=3-Ф Выше линии АСВ, где все сплавы находятся в однородном состоянии, Ф=1 и число степеней свободы С=3-1=2. Здесь система двухвариантна, гак что можно менять и температуру и концентрацию сплава, не изменяя его равновесия - сплав будет оставаться жидким.

Внутри треугольника DAC сплавы состоят из кристаллов свинца и жидкого сплава, т.е. из двух фаз Ф=2 при числе степеней свободы С=3-2=1 Здесь система одновариантна, что позволяет произвольно менять, сохраняя равновесие сплава, либо температуру, либо концентрацию, оставляя зависимой другую переменную.

Рис. 3. Диаграмма состояния сплавов Pb-Sb

В эвтектической точке С различают три фазы: жидкий сплав и эвтектика, состоящая из механической смеси кристаллов свинца и сурьмы Следовательно, здесь Ф=3 и число степеней свободы С=3-3=0, т.е. система безвариантна и любое изменение температуры или концентрации вызовет нарушение равновесия.

Состав присутствующих в сплаве свинца с сурьмой фаз и относительное из количество на диаграмме (Рис. 3) определяется по правилу отрезков следующим образом: через определенную (заданную) точку К, отвечающую данному сплаву, проводят на уровне заданной температуры горизонтальную линию до пересечения с линией ликвидуса. Точка пересечения горизонтальной линии с линией ликвидус L укажет состав жидкой фазы.

Твердая фаза состоит из чистой сурьмы (точка S). Соотношение между весовым количеством твердой фазы Q _S и Q _L определяется следующим образом:

Q _S / Q _L =LK / SK;

Длины отрезков (правило рычага), соответствующие фазам, следует брать в направлении, обратном расположению фаз на диаграмме (Рис. 3).

3.2. Диаграмма состояния сплавов полной взаимной растворимости как в жидком, так и в твердом состоянии.

Эта диаграмма относится ко второму типу. Рассмотрим ее на примере диаграммы состояния сплавов медь-никель (Cu-Ni).

Сплавы различных концентраций затвердевают в некотором интервале температур и имеют на кривых охлаждения две критические точки (два перегиба). В промежутке между ними, т.е. между началом а и концом b затвердевания, из жидкого сплава выпадают кристаллы твердого раствора.

Верхняя линия диаграммы АСВ соответствует началу кристаллизации и носит название ликвидус, выше нее сплавы находятся в жидком состоянии. Нижняя линия ADB - конец кристаллизации и называется солидус, ниже нее все сплавы находятся в твердом состоянии. Таким образом, выше линии АСВ сплавы никеля с медью состоят из однородного жидкого сплава, ниже ADB -из одного твердого раствора.

Применяя правило фаз к диаграмме этого типа, получаем выше линии АСВ и ниже линии ADB одну фазу при двух компонентах (С=3-1=2), иначе говоря, система двухвариантна. Внутри площади ACBDA присутствуют две фазы. Здесь С=3-2=1, т.е. система одновариантна. Ниже линии ADB система снова двухвариантна.

Рис 4. Диаграмма состояния сплавов медь-никель (Cu-Ni)

Согласно правилу отрезков, количество фаз в точке К определяется проведением горизонтальной линии через эту точку до пересечения с линиями ликвидус и солидус (L и S). Эти точки пересечения покажут концентрацию жидкой фазы (точка L) и твердого раствора (точка S).

Относительные весовые количества Q _S и Q _L, т.е. твердой фазы Q _S и жидкой фазы Q _L, по правилу отрезков или рычага определяются из отношения:

Q _S / Q _L = LK / SK или Q _S / Q _L-S = LK / SL,

где Q _L-S - вес всего сплава.

4. Вопросы для самопроверки

4.1. Что такое критические точки?

4.2. Что такое кривая охлаждения?

4.3. Какие превращения происходят на каждой линии диаграммы состояния.

4.4. Что можно определить по правилу отрезков?

4.5. Какие фазы и структуры находятся в различных зонах диаграммы.