Построение диаграммы состояния

(Продолжительность лабораторной работы 4 ч;

домашняя подготовка ─ 4 ч)

1 Краткие прикладные и теоретические сведения
по изучаемым вопросам

Металлическим сплавом называется вещество, полученное сплавлением двух или более исходных веществ, преимущественно металлических. Помимо сплавления сплавы получают спеканием, электролизом и другими способами.

Роль сплавов в технике неизмеримо более важна, чем чистых металлов. Это объясняется тем, что сплавы обладают более разнообразным комплексом свойств, которые в широких пределах изменяются в зависимости от состава сплава. Механические свойства многих сплавов в отличие от чистых металлов очень существенно можно изменять термической и другими видами обработки.

Вещества, из которых образован сплав, называются компонентами сплава. В качестве компонентов сплавов могут быть как чистые элементы, так и устойчивые химические соединения. При кристаллизации сплавов могут образоваться следующие основные твердые фазы: твердые растворы; химические соединения; механические смеси из сплавляемых компонентов.

Для понимания природы сплавов и их свойств необходимо ознакомиться с диаграммами состояний простейших сплавов — двойных. Эти сплавы состоят из двух компонентов.

Диаграмма состояний представляет собой чертеж, в котором отражено изменение структуры и фазового состава сплавов данных компонентов в зависимости от их содержания (концентрации) и температуры Т (рисунок 2).

Сплавы, как и чистые металлы, построены из зерен, которые можно наблюдать в оптический микроскоп. В зависимости от природы сплавляемых компонентов в сплавах могут наблюдаться в виде зерен следующие фазы:

– смесь зерен чистых компонентов (если последние не вступают друг с другом ни в какое взаимодействие);

– твердые растворы одного компонента в другом, когда кристаллические решетки в зернах построены из атомов обоих компонентов, из которых один является растворителем, а другой – растворимым;

– химические соединения компонентов сплава друг с другом, имеющие свою присущую им кристаллическую решетку, отличную от решеток исходных компонентов.

При образовании твердых растворов компоненты в зависимости от их природы могут растворяться друг в друге ограниченно или неограниченно. При ограниченной растворимости в решетке одного компонента может раствориться лишь некоторое, как правило, зависящее от температуры количество атомов другого компонента. Остальное количество взятого для сплава компонента при этом или само становится растворителем и образует зерна со своей решеткой, в которой растворены атомы другого сплавляемого компонента, или вступает со вторым компонентом в химическое взаимодействие. Рассмотрим примеры диаграмм состояний и показанных на них фаз и структурных составляющих.

Диаграмма состояний сплавов — механических смесей — изображена на рисунке 2, а. Это случай, когда компоненты А и В взаимно растворяются только в жидком состоянии, а в твердом не растворяются и не вступают в химическое взаимодействие.

В твердом состоянии (ниже линии CDE) все сплавы этой системы состоят из зерен чистых компонентов А + В. Свойства сплавов в данном случае зависят от свойств компонентов и их относительных количеств в каждом сплаве и изменяются по линейному закону от компонентов А и В.

При неограниченной взаимной растворимости компонентов в твердом состоянии получается диаграмма состояний, изображенная на рисунке 2, б. В данном случае образуется непрерывный ряд сплавов — твердых растворов α переменной концентрации.

Известно, что при растворении в кристаллической решетке одного компонента атомов другого она искажается и в ней возникают внутренние напряжения, тем больше, чем больше в решетке посторонних («чужих») атомов. Все это затрудняет передвижение дислокаций в зернах во время пластической деформации и повышает прочность сплава.

В связи с отмеченным свойства сплавов неограниченных твердых растворов изменяются по криволинейному закону.

Показанная на рисунке 2 в диаграмма состояний отражает поведение сплавляемых компонентов при ограниченной растворимости.

В данном случае в твердом состоянии (ниже линии ACDEB) наблюдаются три структурно–фазовые области: области ограниченных (α (слева) и β (справа) растворов и между ними область механических смесей этих растворов (α + β).

В областях, занятых только одним раствором, свойства изменяются по криволинейным законам, а в смешанной области — по линейному.

Методику построения диаграмм состояния разберем на примере построения диаграммы состояния системы Си — Ni, компоненты которой неограниченно растворяются друг в друге как в жидком, так и в твердом состояниях. В первую очередь строим систему координат (рисунок 3,6). На оси ординат отмечается изменение температуры, на оси абсцисс — изменение состава сплавов. При этом левый и правый концы этой оси соответствуют чистым компонентам Си и Ni. Любая точка между Си и Ni на оси абсцисс отражает сплав определенного состава (концентрацию сплава).

Для установления температур фазовых превращений (критических точек) сплавов необходимо:

– приготовить ряд сплавов, например I, II, III, IV. V, состав которых отмечен на рисунке 3, б (в данном случае I и V являются компонентами системы Сu и Ni);

– расплавить сплавы и провести их медленное охлаждение, фиксируя зависимость понижения температуры от времени охлаждения;

– построить кривые охлаждения каждого сплава, которые представлены на рисунке 3, а.

Изучение фазового состояния сплавов I, II, III, IV, V при температурах выше температур точек I, I', I^//, I^///, 2 показывает, что в этих условиях все сплавы находятся в жидком состоянии. При температуре точки I (медь), точки 2 (никель) и в интервале температур точек /'—2'...1"'—2"' сплавы находятся в двухфазном состоянии — имеют место жидкая фаза (Ж) и кристаллы, которые для сплавов обозначены α. При температурах ниже температур точек I, 2', 2", 2'", 2 сплавы находятся в однофазном кристаллическом состоянии. Очевидно, температуры точек I, 2',... 2'", 2 являются температурами конца кристаллизации сплавов данной системы. Температуры начала и конца фазовых превращений есть критические температуры;

– далее следует перенести полученные критические температуры (точки) на ординаты соответствующих сплавов (рисунок 3, б);

– соединив точки, имеющие одинаковую физическую сущность, получим диаграммы состояния системы медь — никель. Кривая I I^/ I" I^/// 2, ..., характеризующая температуры, выше которых сплавы находятся в жидком состоянии, называется линией ликвидус. Кривая I 2' 2" 2"' 2, соответствующая температурам, ниже которых сплавы находятся в твердом состоянии, называется линией солидус. На рисунке 3, б показаны схемы кристаллических решеток рассмотренных сплавов I, II, III, IV, V (черные кружки — атомы меди, белые — атомы никеля).

Следует отметить, что при построении диаграмм состояния кроме термического метода часто приходится использовать более тонкие методы исследований (микроструктурные, рентгеновские, химические и др.). Это особенно необходимо для сложных сплавов, имеющих различные фазовые превращения в твердом состоянии.