Диаграммы состояния сплавов 3 и 4 типов
Диаграмма состояния четвертого типа. Она характеризует сплавы, в которых компоненты неограниченно растворимы в жидком состоянии, совершенно нерастворимы в твердом и при затвердевании образуют химические соединения. Это сплавы магний — кальций, магний— олово, марганец — кремний.
В качестве примера рассмотрим диаграмму состояния сплава Mg—Са (рис. 17), компоненты которого образуют прочное химическое соединение Mg4 и Са3(АnВm) с содержанием 45% Mgи 55% Са (температура плавления химического соединения 721 °С). Из диаграммы видно, что указанное химическое соединение ведет себя как самостоятельный компонент и делит систему Mg—Са на две диаграммы первого типа: Mg—Mg4Са3(A—АnВm) иMg4Са3—Са(АnВm—В). Выше линии ликвидуса ABCDE сплавы находятся в жидком состоянии в однофазном равновесии, ниже линии солидуса FBKODM — в твердом состоянии, имея двухфазное равновесие.
Диаграмма состояния третьего типа. Она характеризует сплавы, в которых два металла в жидком состоянии обладают полной растворимостью, а в твердом состоянии—ограниченной (рис. 16). К этим сплавам относятся: медь — серебро, олово—свинец, алюминий — кремний и др.
По линии ликвидуса АСВ в отличие от диаграммы первого типа не будут кристаллизоваться чистые компоненты A и В, а будут выпадать кристаллы α твердого раствора компонента В в А (линия АС) и кристаллы β твердого раствора A в B (линия BC). При этом эвтектика будет состоять из смеси кристаллов двух твердых растворов α и β. Сплавы между точками D и С непосредственно после кристаллизации из жидкого раствора состоят из кристаллов α и эвтектики α+β, а между точками С и Е — из кристаллов β и эвтектики α+β. Сплавы с концентрацией меньше, чем в точке D, заканчивают кристаллизацию из жидкого раствора по линии AD и состоят из кристаллов α.
При понижении температуры (линия DF) эти кристаллы оказываются пересыщенными атомами компонента В, поэтому из твердого раствора α кристаллизуются зерна твердого раствора βBT. Такие превращения в твердых растворах называются вторичной кристаллизацией в отличие от первичной, происходящей из жидкого раствора. В сплавах с концентрацией больше, чем в точке Е, при температурах ниже линии солидуc (линия ADEB) из кристаллов β (линия EG) выпадают кристаллы αBT.
Правило отрезков . Его применение для расчета фазового и структурного состава сплавов
Первое положение правила отрезков формулируется следующим образом.
Чтобы определить концентрации компонентов в фазах, через даннуюточку, характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальнуюлинию до пересечения с линиями, ограничивающими данную область; проекции точек пересечения на ось концентраций показывают составыфаз.
Следовательно, для сплава К при температуре t1 составы обеих фаз определятся проекциями точек бис, так как эти точки находятся на пересечении горизонтальной линии проходящей через точку а, с линиямидиаграммы.
Количество этих фаз также можно определить. Для определения количества каждой фазы (второе положение правила отрезков) предположим, что сплавК находится при температуре t1
Если точка а определяет состояние сплава, точка b— состав жидкой фазы, аточка с — состав твердой фазы, то отрезок be - определяет все количествосплава, отрезок ас — количество жидкости и отрезок bа — количество кристаллов.
Второе положениеправила отрезков формулируется так.
Для того чтобы определить количественное соотношение фаз, через заданную точку проводят горизонтальную линию. Отрезки этой линиимежду заданной точкой и точками, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз.
Правило отрезков в двойных диаграммах состояния можно применить только в двухфазных областях. В однофазной области имеется лишь одна фаза; любая точка внутри области характеризует ее концентрацию
Закономерности курнакова
Если отрезок оси абсцисс разделить на сто частей, то точки этого отрезка будут соответствовать процентному составу двойных сплавов. Если по оси ординат отложить температуру, то получим координатную сетку диаграммы фазового состояния. Каждая точка диаграммы состояния соответствует определенному составу сплава при заданной температуре. Линии на диаграмме состояния отмечают температуры изменения фазового состава, а поля, ограниченные этими линиями, характеризуют области существования различных фазовых состояний.
Диаграммы состояния показывают изменения фазового состояния сплавов при изменении их состава и температуры, а также позволяют предсказывать свойства сплавов. Связь между составом сплава и его свойствами для различных типов диаграмм состояния впервые была установлена Н. С. Курнаковым и получила название закономерностей Курнакова. Рассмотрим некоторые типы диаграмм состояния и связь свойств сплавов с их составом.
Как отмечалось выше, при изоморфности кристаллических решеток, близости строения валентных электронных оболочек атомов и малой разнице в размерах атомов в твердом состоянии элементы образуют неограниченные твердые растворы. Диаграммы состояния таких сплавов выглядят, как показано на рис. 22 а.
| Рис.22. Диаграммы состояния и зависимость свойств от состава для случаев: а), б) неограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии; в), г) отсутствия растворимости компонентов в твердом состоянии; д), е) ограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии. |
Верхняя линия на диаграмме состояния представляет собой геометрическое место точек начала кристаллизации или конца плавления - линию ликвидус. Выше этой линии все сплавы находятся в однофазном - жидком состоянии. Нижняя линия является геометрическим местом точек конца кристаллизации или начала плавления - линия солидус. Ниже этой линии все сплавы также в однофазном - твердом состоянии. Поскольку при изменении состава сплавов фазовое состояние при низких температурах не меняется, то зависимость свойств от состава имеет вид плавной линии с максимумом. Зависимость свойств от состава (прочности, удельного электрического сопротивления, твердости) показана на рис. 22 б). Самостоятельно объясните зависимость свойств от состава, опираясь на представления о влиянии точеных дефектов на механические и электрические свойства металлических материалов.
Диаграмма состояния системы для случая, когда компоненты полностью не растворяются друг в друге в твердом состоянии и растворимы в жидком состоянии, показана на рис. 22 в). В данном случае линия ликвидус выглядит в виде ломаной, причем при некотором составе, называемом эвтектическим (от греческого слова эвтектикос - легкоплавкий), линия ликвидус касается линии солидус. Линия солидус представляет собой горизонтальную линию. Ниже линии солидус в сплава имеется две твердые фазы, являющиеся чистыми компонентами сплава. Поскольку компоненты не растворимы друг в друге, то свойства линейно меняются при изменении состава в соответствии с тем, как меняется количество фаз. Однако вблизи эвтектического состава наблюдается отклонение от линейного закона. Это связано с тем, что при кристаллизации эвтектических сплавов из жидкости одновременно выпадают две твердые фазы, и формируется мелкозернистая структура. Измельчение зерен ведет за собой увеличение электрического сопротивления и прочности эвтектических сплавов.
Для систем сплавов с ограниченной растворимостью характерны диаграммы состояния, показанные на рис. 22 д). В таких системах имеются две области существования фаз, представляющих раствор одного компонента в другом, и область существования смеси двух фаз. При составах, соответствующих областям существования твердых растворов на основе какого-либо компонента, изменения свойств аналогично изменению свойств в системах с неограниченной растворимостью компонентов, а в областях составов, соответствующих двухфазным смесям, изменение состава ведет к изменению свойств, характерному для систем с нерастворимыми в твердом состоянии компонентами.