Диаграммы состояния двойных сплавов

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

В курсе материаловедения электронной техники понимание диаграмм состояния двухкомпонентных систем является одним из основных и важнейших. Современная интегральная схема состоит из многих различных материалов, находящихся в контакте друг с другом. Поэтому разработка интегральных схем и технологии их производства требует знания диаграмм состояния для оценки совместимости материалов схемы в условиях их изготовления и эксплуатации. Знание диаграмм фазовых равновесий используется в изучении технологии полупроводниковых материалов и физико-химических основ легирования полупроводников.

При рассмотрении равновесия фаз в гетерогенных системах целью анализа является установление взаимосвязей между параметрами, характеризующими состояние системы. Основными параметрами гетерогенного равновесия являются температура, давление и концентрация в различных фазах. В системах, образованных конденсированными фазами, роль давления сравнительно невелика, поэтому основными параметрами будут температура и концентрация одного из компонентов.

Свойства сплава определяются состоянием сплава и его микроструктурой.

Состояние сплава определяется:

• фазами, присутствующими в сплаве;

• составом каждой фазы;

• весовой (массовой) долей каждой фазы (в %).

Микроструктура определяется характерным размером (нм, мкм, мм) и морфологией фаз. Под морфологией понимают форму твердых фаз в материале (например, глобулы, диски, столбики) - рис. 1. Самый простой и распространенный метод изучения микроструктуры – оптическая металлография.

Рис. 1. Морфология фаз в материале

Основные фазы в сплавах

Рассмотрим двойную металлическую систему А–В. В жидком состоянии обычно существует полная взаимная растворимость компонентов друг в друге. При затвердевании возможны следующие три варианта взаимодействия компонентов А и В:

• атомы А и В сильно отталкивают друг друга; в результате формируется механическая смесь зерен двух чистыхкомпонентов, кристаллизующихся порознь, т. е. А + В;

• силы взаимодействия (отталкивания и притяжения) между атомами А и В малы; в результате атомы компонента В частично или полностью растворяются в решетке А и наоборот. В этом случае образуются ограниченные или неограниченные твердые растворы, причем в первом случае образуются также механические смеси ограниченных твердых растворов;

• атомы А и В испытывают сильное взаимное притяжение; в этом случае могут формироваться химические соединения, в том числе интерметаллиды (в системах металл–металл).

Таким образом, в сплавах могут образовываться следующие основные фазы: жидкие растворы, твердые растворы, химические соединения. Сплав может быть однофазным (гомогенным) или многофазным (гетерогенным).

Твердые растворы

В жидком состоянии большинство сплавов, применяемых в технике, представляют собой химически однородные жидкости, т. е. жидкие растворы. При затвердевании в ряде таких сплавах однородность сохраняется, следовательно, сохраняется растворимость компонентов в твердом состоянии.

Твердые растворы – это кристаллические фазы, имеющие решетку основного компонента А (растворителя), в которой размещены атомы другого (или других) компонентов (B и т. д).

Твердые растворы обозначают греческими буквами, например: α = А(В), где А – растворитель, В – растворяемый компонент. Схематически микроструктура твердого раствора (однофазный сплав) показана на рис. 2.

Различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения . При образовании твердого раствора замещения атомы растворенного компонента B статистически случайно занимают узлы решетки растворителя A . При этом решетка искажается, что приводит к изменению параметра решетки и возникновению напряжений.

Твердые растворы внедрения образуются в том случае, когда атомы растворенного компонента B внедряются в межузельные промежутки растворителя A . При этом атомы компонента B занимают не любые междоузлия, а только те, которые имеют достаточный свободный объем. В таких пустотах могут разместиться только атомы с очень малыми размерами.

Наименьшие размеры имеют атомы неметаллов (водород, азот, углерод, бор); именно они образуют с металлами твердые растворы внедрения. Но и у этих элементов размер атомов превышает размеры междоузлий в решетке металлов, Поэтому при образо-

вании твердого раствора внедрения решетка металла искажается и возникают напряжения. При этом тип решетки не изменяется. Максимальная концентрация твердого раствора внедрения не может быть высокой: обычно она не превышает 1÷2 вес. %. Таким

образом, твердые растворы внедрения являются ограниченными.

Рис. 2. Схема микроструктуры твердого раствора

Неограниченные твердые растворы образуются, если выполняются следующие условия:

• компоненты А и В имеют одинаковый тип решетки (изоморфизм);

• различие атомных радиусов (или периодов решеток) компонентов A и B не превышает 15 %;

• атомы компонентов А и В имеют одинаковую валентность;

• взаимодействие между компонентами А и В слабое, т. е. силы притяжения и отталкивания малы.

Период решетки твердого раствора а подчиняется закону Вегарда:

а = С_А а_А + С_В а_В ,

где а_А и а_В – периоды решеток компонентов А и В, С_А и С_В – их концентрации.

Химические соединения

Химические соединения имеют следующие особенности, отличающие их от твердых растворов:

• соединение имеет строго определенное соотношение между числом атомов элементов А и В, соответствующее стехиометрическому составу, выраженному формулой А_mВ_n;

• соединение имеет специфическую решетку, отличную от решеток исходных компонентов;

• соединение имеют постоянную температуру плавления (диссоциации);

• свойства соединения существенно отличаются от свойств исходных компонентов; например, соединение Fe₃C имеют высокую твердость, но очень хрупкое, что связано с наличием ковалентной связи между атомами Fe и C.

Если химическое соединение А_mВ_n является устойчивым (конгруэнтно-плавящим- ся), т. е. не диссоциирует вплоть до температуры плавления, то его можно рассматривать как самостоятельный компонент С, способный образовывать твердые растворы с исходными компонентами А и В.

Механические смеси

Механическая смесь двух компонентов A и B образуется, если они не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химические реакции друг с другом с образованием химического соединения. При таких условиях сплав будет состоять из кристаллов A и B (рис. 3 а), отчетливо выявляемой с помощью металлографии (рис. 3 б). В общем виде механические смеси обозначают: A + B.

а б

Рис. 3. Микроструктура механической смеси (схема) - а; микроструктура сплава Bi-40 вес. % Cd - б.

Образующими смесь фазами могут быть элементы и соединения, но чаще ими являются твердые растворы. Образование смесей происходит при выделении второй фазы из пересыщенных твердых растворов, вследствие эвтектических или эвтектоидных превращений.

Правило фаз Гиббса

Состояние сплава зависит от внешних (температура, давление) и внутренних (концентрация) параметров. Это состояние характеризуется числом образовавшихся фаз, их составом (концентрацией) и отношением масс (массовой долей фаз). Закономерности изменения числа фаз в гетерогенных системах (с числом фаз ≥ 2) определяются правилом фаз Гиббса.

Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз. Оно выражается уравнением

С = К – Ф + 2, (1)

где С – число степеней свободы (или вариантность); К – число компонентов, образующих систему; 2 – число внешних параметров (температура и давление); Ф – число фаз, находящихся в равновесии.

Под числом степеней свободы (вариантностью системы) понимают число независимых внутренних (концентрация) и внешних (температура, давление) параметров, значение которых можно изменять без изменения числа фаз, находящихся в равновесии.

Если число степеней свободы С = 0, то это означает,что для сохранения фазового равновесия (Ф=const) необходимо,чтобы все параметры оставались постоянными, т. е. концентрация n = const, температура T= const и давление P = const .

Если же число степеней свободы С = 1, то это означает, что для сохранения фазового равновесия (Ф = const) необходимо,чтобы только один из параметров изменялся в некоторых пределах, а два других оставались постоянными.

Если принять, что все фазовые превращения в металлах и сплавах происходят при постоянном давлении (P = const),то число внешних факторов будет равно 1 (температура), и правило фаз примет вид

С = К – Ф + 1. (2)

Правило фаз позволяет проверять правильность построения кривых охлаждения и диаграмм состояния на тех отрезках и в тех областях, где число фаз Ф ≥ 2.

Задача 1.

Определить массовые доли обеих фаз для точки В (рис. 13).

Решение. В точке В : С₀ = 35 %Ni; Cα = 43 %Ni; C_L = 32 %Ni (вес. %).

Подставляя эти данные в формулы (4) и (5) получим:

W_α = = = 0,27 и W_L = = = 0,73 .

2.7. Диаграмма состояния сплавов, образующих ограниченные твердые растворы и эвтектику (3-го рода)

Исходные данные:

• компоненты: А, В (K = 2);

• оба компонента неограниченно растворимы в жидком состоянии, ограничено – в твердом состоянии и не образуют химических соединений;

• фазы: жидкий сплав L, ограниченные твердые растворы α = А(В) и β = В(А).

Диаграмма состояния (с эвтектикой) показана на рис. 15. Линии АЕВ и ADЕCВ – линии ликвидус и солидус, соответственно; линия DEC – эвтектическая. В сплавах данного типа существует некоторая взаимная растворимость компонентов А и В в твердом состоянии. Поэтому при кристаллизации из жидкости вместо зерен чистых компонентов А и В (см. п. 2.3, рис. 8) образуются зерна ограниченных твердых растворов на основе А и В, т. е. α = А(В) и β = В(А).

Рис. 15. Диаграмма состояния сплава с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии

Сплав I Сплав II

Рис. 16. Кривые охлаждения и схемы структур сплавов I и II

Области существования α– и β–твердых растворов расположены около вертикалей А и В, соответственно (рис. 15). Предельная растворимость В в А, т. е. максимальная концентрация В в α–твердом растворе, зависит от температуры и определяется линией DF, а предельная растворимость А в В, т. е. максимальная концентрация А в β–твердом растворе, определяется линией CG. Эти линии называются сольвус – линиями или кривыми растворимости. Точка D определяет максимальную концентрацию компонента В в α–твердом растворе (25 вес. % В). В свою очередь, т. С определяет максимальную концентрацию компонента А в β–твердом растворе (100 – 82 = 18 вес. % А).

Сплавы, находящиеся между линиями DF и CG, лежат за пределами растворимости и являются двухфазными, состоящими из механической смеси α + β. Эти двухфазные сплавы принято делить на:

• внеэвтектические: слева от точки D (в том числе, сплав I) и справа от точки С;

• доэвтектические: концентрация В – от точки D до точки Е (сплав II);

• эвтектический: концентрация точки Е;

• заэвтектические: концентрация В – от точки E до точки C.

Рассмотрим процессы кристаллизации сплавов I и II.

Кристаллизация сплава I начинается в точке 1 (линия ликвидус) и заканчивается в точке 2 (линия солидус). Кривая охлаждения и схема структур этого сплава показана на рис. 16. На отрезке 1–2 из жидкого сплава L выделяются и растут кристаллы α–твердого раствора. Концентрация В в растущих зернах α – фазы растет по линии солидус (а–2), а в жидкости L – по линии ликвидус (1–b). В точке 2 кристаллизация заканчивается, и полученные кристаллы должны иметь (для равновесной кристаллизации) концентрацию исходной жидкости. На отрезке 2–3 превращения отсутствуют. Ниже точки 3 α–твердый раствор является пересыщенным и выделяет избыточные атомы В. В результате внутри зерен α–твердого раствора образуются кристаллы β– твердого раствора по реакции α → β_II. Эти кристаллы называют вторичными, поскольку они выделяются из твердого раствора, в отличие от первичных, выделяющихся из жидкости. Их обозначают симво-

лом β_II. Процесс выделения вторичных кристаллов называется вторичной кристаллизацией.

Сплав с концентрацией В левее точки F не будет иметь вторичных выделений β_II, т. е. будет иметь структуру α–твердого раствора.

На рис. 15 линия CG, в отличие от линии DF, изображена вертикальной, т. е. растворимость А в В не зависит от температуры. Поэтому вторичные выделения α–твердого раствора ниже линии ВС отсутствуют. Такие выделения возникли бы, если бы линия DF была наклонена вправо, т. е. растворимость А в В уменьшалась бы с понижением температуры.

Кристаллизация сплава II. Сплавы типа II называются доэвтектическими. Кривая охлаждения и схемы структур такого сплава показаны на рис. 16, справа. На отрезке 1–2 из жидкости выделяются и растут кристаллы α–твердого раствора. Концентрация В в α изменяется по линии солидус (растет от точки с до точки D). За счет образования α–зерен оставшаяся жидкость обогащается компонентом В по линии ликвидус (от точки 1 до точки Е). В точке 2 оставшаяся жидкость достигает горизонтальной линии DCE (эвтектическая температура t_E), и концентрация В в жидкости соответствует эвтектической (точка Е). В этих условиях на участке 2–2′ оставшаяся жидкость кристаллизуется по эвтектической реакции:

L_E → α_D + β_C, (6)

где α_D – α–твердый раствор состава точки D, β_C – β–твердый раствор состава точки С.

В общем виде эвтектическую реакцию записывают так:

L → α + β. (7)

В точке 2′ (конец кристаллизации жидкости) формируется структура, состоящая из кристаллов α_D и эвтектики Е = α + β. При дальнейшем охлаждении сплава (отрезок 2′ –3) растворимость В в α–твердом растворе уменьшается по кривой DF (как в сплаве I). Поэтому из кристаллов α выделяются вторичные кристаллы β_II по реакции α → β_II (как в сплаве I).

Таким образом, конечная (при нормальной температуре) структура доэвтектического сплава II: α_F + эвтектика (α_F + β_G) + β_II.

Сплавы с концентрацией В в интервале от точки Е до точки С называются заэвтектическими. Они кристаллизуются аналогично доэвтектическим. Различие состоит в том, что на первом этапе (между линиями ликвидус и солидус) из жидкой фазы выделяют-

ся первичные кристаллы β. За счет этого концентрация В в оставшейся жидкости уменьшается по линии ВЕ. На втором этапе при эвтектической температуре (линия DEC) остаток жидкости кристаллизуется по эвтектической реакции: L → α + β. Конечная структура заэвтектического сплава: β + эвтектика (α + β).

Несмотря на многообразие структурных составляющих [первичные кристаллы α- и β – твердых растворов, вторичные кристаллы β – твердого раствора, эвтектика (α + β)], окончательно охлажденный сплав содержит только две фазы (α и β), в которых концен-

трация компонента В определяется точками F и G, соответственно.

Проверим правильность построения кривых охлаждения и диаграммы состояния (рис. 16 и 15) с помощью правила фаз (С = К – Ф + 1) на примере сплава II:

• отрезок 1–2: С = 2 – 2 + 1 = 1, следовательно, температура Т изменяется;

• отрезок 2–2′ : С = 2 – 3 + 1 = 0, следовательно, температура Т = const;

• отрезок 2′ –3: С = 2 – 2 + 1 = 1, следовательно, температура Т изменяется.

Таким образом, кривая охлаждения построена правильно.

В качестве примера на рис. 17 приведена диаграмма состояния системы Pb–Sn. Здесь же показана микроструктура доэвтектического, эвтектического и эвтектического сплавов данной системы. Видно, что эвтектический сплав имеет структуру пластинчатой эвтектики Е = α + β, где α и β – ограниченные твердые растворы: α = Pb(Sn); β = Sn(Pb). Доэвтектический сплав содержит темные зерна первичного α–твердого раствора, окруженные колониями эвтектики. Внутри α–зерен видны выделения вторичной β–фазы (β_II). Заэвтектический сплав состоит из зерен первичного β–твердого раствора, окруженных колониями эвтектики. Внутри светлых зерен β–фазы видны выделения вторичной

α–фазы (α_II).

E = α+β β+α_II E = α+β

Рис. 17. Диаграмма состояния и микроструктура сплавов системы Pb–Sn

Задача 2. Для сплава 60 %Pb – 40 %Sn (вес. %) (см. рис. 18) определить при Т = 150°С:

1) фазовый состав;

2) химический состав каждой фазы;

3) массовую долю каждой фазы.

Рис. 18. Диаграмма состояния системы Pb–Sn

Решение.

1) Находим на диаграмме состояния Pb–Sn (рис. 18) рабочую точку В, соответствующую условиям задачи. Так как точка В находится внутри (α + β) – области, то в данной точке присутствуют две фазы: α и β.

2) В точке В присутствуют две фазы. Через эту точку проводим горизонтальную линию (коноду), как показано на рис. 18. Состав α–фазы соответствует точке пересечения коноды с линией предельной растворимости А в В, т. е. с границей раздела областей α/α+β. Итак, состав α–фазы С_α: 89 % Pb – 11 % Sn. По аналогии находим состав β-фазы С_β : 1 % Pb – 99 % Sn.

3) Поскольку сплав состоит из двух фаз, то для нахождения массовой доли каждой фазы необходимо использовать правило рычага [(см. п. 2.5, формулы (4) и (5)]. Обозначая общий состав сплава С₁ (точка В), получим:

W_α = = = 0,67 и W_β = = = 0,33 .

Диаграммы состав – свойства

Между типом диаграммы состояния и свойствами сплава существует определенная взаимосвязь. На рис. 26 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.

Данные закономерности сводятся к следующему.

1. При образовании механических смесей (рис. 26а) свойства сплава изменяются по линейному закону (аддитивно), т. е. находятся между свойствами чистых компонентов. Отметим, что вблизи эвтектики линейная зависимость сильно нарушается из-за измельчения структуры.

2. В случае неограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии твердость и прочность изменяются по кривой с максимумом (рис. 26б). Упрочнение связано

с искажением решетки и формированием остаточных напряжений (твердорастворное упрочнение).

3. При образовании ограниченных твердых растворов (рис. 26в) 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 – состав 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 А_nВ_m свойства этого соединения отмечаются на кривой свойства - концентрация особой (сингулярной) точкой (рис. 26г). 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).

Рис. 26. 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

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

Задание 1. Анализ диаграммы состояния висмут–кадмий

Цель работы – 1) ознакомиться с диаграммой состояния сплавов Bi-Cd - рис. 27;

Е Bi Е Cd

E = Bi + Cd

80 % Bi + 20 % Cd 60 % Bi + 40 % Cd Cd 20 % Bi + 80 % Cd

80 % Bi + 20 % Cd 60 % Bi + 40 % Cd

Рис. 27. Диаграмма состояния и микроструктура сплавов Bi-Cd.

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.

1. Укажите, какие линии присутствуют на диаграмме.

2. Укажите фазы данной системы.

3. К какому типу диаграмм относится данная диаграмма состояния?

4. Объясните, как формируются в процессе охлаждения структуры эвтектиче- ского, доэвтектического и заэвтектического сплавов.

5. Что такое эвтектика, эвтектическая концентраци, эвтектическая температура?

6. Запишите эвтектическую реакцию.

7. Что называется структурными составляющими сплава?

8. Используя микрофотографии сплавов Bi-Cd (Рис. 27):

• зарисовать схемы микроструктур сплавов I, II и III (20 %; 40 %; 80 % Cd);

• указать структурные составляющие каждого сплава;

• в сплавах I и II определить характерный размер зерен первичных кристаллов Bi и глобул Bi и Cd в эвтектике.

9. Используя правило отрезков (п. 2.5) определить концентрацию Cd в жидкой и твердой фазах при температуре T для сплава состава Х , указанных в таблице 1 в соответствии с вариантом:

Таблица 1

№ варианта
Т, ℃
Х, % Cd

№ варианта
Т, ℃
Х, % Cd

10. Для этих же сплавов, используя правило рычага (п. 2.5), определить массовую долю твердой и жидкой фаз и отношение масс этих фаз.

11. Используя диаграммы состав – свойства (п. 6) построить примерную зависимость твердости сплава Bi-Cd от концентрации Cd.

Задание № 2. Анализ диаграммы MgO – NiO

Цель работы – 1) ознакомиться с диаграммой состояния сплавов MgO – NiO - рис. 28;

2) используя правило рычага, определить долю жидкой фазы в зависимости от содержания NiO в керамике.

1. Укажите, какие линии присутствуют на диаграмме.

2. Укажите фазы данной системы.

3. К какому типу диаграмм относится данная диаграмма состояния?

4. Постройте график зависимости молярной доли жидкой фазы от содержания NiO в керамике MgO – NiO при температуре Т, указанной в варианте табл. 2. График следует начертить под диаграммой состояния, чтобы оси концентраций графика и диаграммы совпадали.

Рис. 28. Диаграмма состояния MgO – NiO

Таблица 2

№ варианта
Т, ℃

Задание 3. Построение диаграмм фазовых равновесий

Цель работы - получить навыки построения диаграмм состояний.

Для построения диаграммы состояния вы выполнили следующие операции:

·подготовили набор сплавов различного состава, включая чистые компоненты А и В;

·поместили в тигель каждый состав, расплавили его и медленно охладили, построили кривую охлаждения и изучили микроструктуру затвердевшего сплава под микроскопом.

Эксперимент дал следующие результаты:

Вариант №1

· чистый металл А: структура ГЦК, атомный радиус 0,128 нм, температура плавления 1083 ℃;

· чистый металл В: структура ГЦК, атомный радиус 0,125 нм, температура плавления 1453 ℃;

· полная взаимная растворимость обоих металлов в жидком и твердом состояниях;

· при охлаждении жидкого сплава с содержанием 50 ат. % В первая твердая фаза появляется при 1305 ℃. Эта фаза содержит 64 ат. % В;

· при дальнейшем охлаждении остающаяся жидкая фаза существует до 1240 ℃. В этот момент она содержит 34 ат. % В.

Используя результаты эксперимента необходимо:

• построить диаграмму состояния системы A–B в удобном для анализа масштабе (по осям концентрации и температуры) и указать на диаграмме известные составы и температуры;

• на данной диаграмме состояния указать фазы и структурные составляющие, присутствующие в каждой области;

• нарисовать схему микроструктуры образца, содержащего 10, 20, 30, 50, 60 и 80 ат. %В;

• оценить размер элементарной ячейки твердого раствора, содержащего 10, 30, 50, 60, 75 и 90 ат. % В.

Вариант № 2

· чистый компонент A затвердевает при 1000 °С;

· чистый компонент B затвердевает при 1250 °С;

· сплав, содержащий 40 вес. % B, кристаллизуется при постоянной температуре 750 °С;

· при 750° С и концентрациях В менее 15 вес. % сплав является однофазным (α-фаза);

· при 750 °С и концентрациях В более 70 вес. % сплав является однофазным (β-фаза);

· α- и β-фазы – твердые растворы; других твердых фаз в данной системе нет при любых температурах и концентрациях;

· максимальная растворимость В в α-фазе при комнатной температуре – 3 вес. % В;

· максимальная растворимость A в β-фазе при комнатной температуре – 28 вес. % A (72 вес. % В).

Используя результаты эксперимента необходимо:

• построить диаграмму состояния системы A–B в удобном для анализа масштабе (по осям отложив концентрации и температуры), указать на диаграмме известные составы и температуры;

• на данной диаграмме состояния указать фазы и структурные составляющие, присутствующие в каждой области;

• нарисовать схему микроструктуры образца, содержащего 10, 20, 40, 50, 75 и 90 вес. %В; образец медленно охлаждался от 1300°С до комнатной температуры (20°С).

Вариант № 3

· чистый компонент А: температура плавления 470 ℃;

· чистый компонент В: температура плавления 803 ℃;

· конгруэнтно-плавящееся химическое соединение А₂В: температура плавления 1210 ℃;

· максимальная растворимость компонента В в соединении А₂В соответствует температуре 520 ℃ и составляет 10 ат. % В. При комнатной температуре (20 ℃) растворимость снижается до 5 ат. % В;

· других твердых растворов и химических соединений в системе А-В не образуется;

· жидкий раствор, содержащий 75 ат.% В, кристаллизуется при постоянной температуре 520 ℃;

· жидкий раствор, содержащий 15 ат.% В, кристаллизуется при постоянной температуре 300 ℃.

Используя результаты эксперимента необходимо:

• построить диаграмму состояния системы A–B в удобном для анализа масштабе (по осям отложив концентрации и температуры), указать на диаграмме известные составы и температуры;

• на данной диаграмме состояния указать фазы и структурные составляющие, присутствующие в каждой области;

• нарисовать схему микроструктуры образца, содержащего 10, 15, 33, 50, 75 и 90 ат. %В; образец медленно охлаждался от 1300°С до комнатной температуры (20°С).

Задание № 4. Расчет диаграмм фазовых равновесий

Цель работы -изучение основных закономерностей, используемых при анализе диаграмм двухкомпонентных систем.

Материалы: диаграммы состояния InSb-InAs, ZnTe-HgTe, Bi-Sb, InSb-AlSb, InAs-GaAs, InAs-AlAs, GaSb-AlSb, GaAs-AlAs, AlAs-AlP, GaP- AlP, InP-GaP, HgTe-CdTe, InSb-GaSb, PbTe-SnTe, Al-Si, In-Si, Sn-Bi, Ag-Cu, Si-Sn, Au-W, Ga-As, In-Sb, Sn-Te, Ga-Sb, Mg-Ca, Au-Sb, Au-Te, In-As, Pb-Te.

Для трех диаграмм, указанных в табл. 3 в соответствии с вариантом,

провести расчеты, указанные в порядке выполнения работы.

Таблица 3

№ варианта	№ диаграммы	Тип диаграммы	Состав Х, %	Температура Т0, ℃
		InSb-InAs	40 % InAs
	Al-Si	50 % Si
	Ga-As	20 % As
		ZnTe-HgTe	40 % HgTe
	In-Si	60 % Si
	In-Sb	20 % Sb
		Bi-Sb	60 % Sb
	Sn-Bi	30 % Bi
	Sn-Te	50 % Te
		InSb-AlSb	60 % AlSb
	Ag-Cu	50 % Cu
	Ga-Sb	40 % Sb
		InAs-GaAs	40 % GaAs
	Si-Sn	50 % Sn
	Mg-Ca	30 % Ca
		InAs-AlAs	60 % AlAs
	Au-W	30 % W
	Au-Sb	50 % Sb
		GaSb-AlSb	40 % AlSb
	Al-Si	10 % Si
	In-As	20 % As
		GaAs-AlAs	60 % AlAs
	Sn-Bi	10 % Bi
	Au-Te	20 % Te
		AlAs- AlP	60 % AlP
	Ag-Cu	20 % Cu
	Pb-Te	20 % Te
		GaP- AlP	60 % AlP
	Al-Si	70 % Si
	Ga-As	70 % As
		InP-GaP	60 % GaP
	Sn-Bi	70 % Bi
	In-Sb	90 % Sb
		HgTe-CdTe	70 % CdTe
	Ag-Cu	70 % Cu
	Sn-Te	60 % Te
		InSb-GaSb	60 % GaSb
	Al-Si	5 % Si
	Ga-Sb	60 % Sb
		PbTe-SnTe	60 % SnTe
	Sn-Bi	43 % Bi
	Mg-Ca	60 % Ca
		InSb-InAs	80 % InAs
	Ag-Cu	95 % Cu
	Au-Sb	80 % Sb
		ZnTe-HgTe	60 % HgTe
	Al-Si	80 % Si
	In-As	80 % As
		Bi-Sb	30 % Sb
	Sn-Bi	90 % Bi
	Au-Te	70 % Te
		InSb-AlSb	40 % AlSb
	Ag-Cu	40 % Cu
	Pb-Te	70 % Te

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Определить тип диаграммы. Обозначить все фазовые области.

2. Установить порядок фазовых превращений при охлаждении сплава заданного состава Х.

3. Нарисовать соответствующую кривую охлаждения.

4. Установить фазовый состав сплава и количественное соотношение фаз для сплава заданного состава при заданной температуре Т₀. Определить вариантность системы.

5. Определить структурные составляющие этого сплава при комнатной температуре.

ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ ОТЧЕТА

1. В отчете следует привести диаграммы состояния с указанием заданных составов Х и заданных температур Т₀.

2. Справа от диаграммы состояния изобразить кривую охлаждения, чтобы диаграмма состояния и кривая охлаждения имели общую ось температуры.

3. В отчете должны содержаться развернутые ответы на вопросы. При необходимости приводятся реакции, соответствующие фазовым превращениям.

Задание № 5. Диаграммы состояния с химическими соединениями, эвтектическими и перитектическими превращениями

Цель работы – формирование навыков анализа и расчета сложных диаграмм фазовых равновесий.

Задача № 3. Сплав свинца с висмутом, состав которого указан табл. 4 в соответствии с вариантом, охлаждается в равновесных условиях из жидкого состояния до 20 ℃. Указать последовательность равновесных фаз и соответствующие значения температур равновесия – рис. 29.

Таблица 4

№ варианта
% висмута
№ варианта
% висмута

Методические указания. Определить и обозначить на диаграмме все фазы и фазовые области.

Решение задачи представить в виде табл. 5, в которой указать температуры или интервалы температур, фазы, находящиеся в равновесии, и их состав.

Таблица 5

Температура, ℃	Фазы	Состав фаз

Задача № 4. На диаграмме (рис. 29)провести изотерму в соответствии с вариантом, приведенным в табл. 6. Определить последовательность изменения числа фаз и их состава при изменении состава от 100 % свинца до 100 % висмута.

Таблица 6

№ варианта
Температура, ℃
№ варианта
Температура, ℃

Методические указания. Решение задачи представить в виде табл. 7, в которой указать диапазон изменения содержания висмута, фазы, находящиеся в равновесии, и их состав.

Таблица 7

Содержание висмута, %	Фазы	Состав фаз