8. Изменение фазового состояния сплава

С помощью диаграммы состояния можно проследить, какие фазовые изменения претерпевает сплав определенного состава при понижении или повышении температуры. Например, при рассмотрении кристаллизации и последующего охлаждения сплава можно установить:

1. Температуру начала кристаллизации Т_н.к..

2. Состав и температуру первично выпадающих кристаллов.

3. Как изменяются составы жидкой и твердой фаз в процессе кристаллизации.

4. Каково соотношение между относительными количествами жидкости и кристаллов в ходе кристаллизации.

5. Температуру конца кристаллизации Т_к.к.

6. Какие превращения претерпевает сплав при охлаждении ниже Т_к.к, а также состав и количество продуктов кристаллизации.

7. Вид кривой охлаждения.

Проследим за изменением фазового состояния сплава состава точки «х» в системе А-М (рис. 8), которая представляет собой левую часть диаграммы, изображенной на рис. 2. Чтобы диаграмму не очень перегружать обозначениями, на рис. 8 отмечены лишь поля гомогенности.

При температуре точки «х» заданная система, представляющая собой расплав (Ф=1), двухвариантная, и отвод тепла от нее вызовет лишь охлаждение жидкости неизменного состава до температуры. На кривой охлаждения (рис. 8, б) этому отвечает участок аb.

Температура начала кристаллизации Т_н.ксплава на диаграмме состояния определяется точкой пересечения вертикали исходного сплава ХХ₁с ветвью ликвидуса А₁Е (линией насыщения жидкости одной твердой фазой).

На кривой охлаждения этой температуре соответствует точка излома «в». С появлением твердой фазы система становится одновариантной. Поэтому при дальнейшем отводе тепла ее температура падает, но охлаждение замедляется, так как двухфазное равновесие

ЖL1= βS1; ΔHкр < 0

(6)

смещается вправо (в сторону выделения тепла). Одна степень свободы означает, что составы равновесных фаз (жидкой и твердой) зависят от температуры и определяются точками пересечения изотермы с ветвями ликвидуса и солидуса соответственно.

Так, при температуре начала кристаллизации Т_н.к= Т_L1состав расплава указывает точка «T_L1», а состав кристаллов — точка «S₁». Последняя находится на линии, ограничивающей поле гомогенности β-фазы. Поэтому первичным продуктом кристаллизации сплава «X» является одна твердая фаза – β — твёрдый раствор.

По мере понижения температуры в ходе кристаллизации состав жидкости изменяется по ветви ликвидуса от «L₁» до «L₂» а состав твердой фазы — по ветви солидуса от «S₁» до «S₂», что на рис. 8, а отмечено стрелками. При температуре точки «k» в равновесии существуют две фазы — жидкая состава «L» и твердая состава «S».

Соотношение в их количествах можно определить с помощью правила отрезков. Отрезок КSпропорционален массе жидкости, а отрезок КL— массе кристаллов.

Рис. 8. Диаграмма состояния системы А-М (а) и вид кривой охлаждения сплава «х» (б)

Температура конца кристаллизации сплава Т_к.к=T_S2на диаграмме состояния определяется точкой пересечения вертикалиXX₁с ветвью солидусаA₁Д. На кривой охлаждения ей отвечает точка излома «с». По завершении кристаллизации прекращается выделение тепла, и охлаждение системы ускоряется.

После исчезновения жидкости система вновь становится двухвариантной и дальнейшее охлаждение β-раствора происходит без изменения его состава.

При температуре Т_нβ-твердый раствор становится насыщенным, из него происходит диффузное выделение α-раствора.

ΒН= αR; ΔH < 0

(7)

Процесс (7) экзотермичен, поэтому охлаждение системы вновь замедлится и при температуре начала распада твердого раствора Т_н.рна кривой охлаждения отметится точка излома «d». По мере дальнейшего понижения температуры составы равновесных фаз будут изменяться по линиям насыщения:HE₁для β-раствора иRД₁для α- раствора.

При температуре Т_И= Т_elпроисходит эвтектическое превращение (диффузный распад β-твердого раствора на кристаллы вещества М и α-раствор).

βE1= αД1 + M; ΔH < 0

(8)

Трехфазная система безвариантная. Отвод тепла от нее смещает равновесие (8) вправо. За счет теплоты, выделяющейся в результате превращения, температура в системе сохраняется неизменной (участок fgна кривой охлаждения).

Лишь после исчезновения β-раствора появляется степень свободы и возможно дальнейшее понижение температуры (см. рис. 8, б, участокgh) и изменение составов фаз по линиям Д₁GиF₁M(см. рис. 8, а).

Конечными продуктами кристаллизации сплава «X» являются две твердые фазы — вещество М и α-раствор. При любой температуре ниже Т_ЕLможно определить состав раствора и соотношение в количествах равновесных фаз.

Например, при Т_ув равновесии с кристаллами вещества М присутствует α-раствор состава точки «Z». Долю каждой из фаз найдем с помощью правила отрезков:

и

По теме «Фазовые равновесия» выполняется расчетно-графическое задание, которое включает 3 задачи:

1. Анализ однокомпонентной системы на примере диаграммы состояния железа.

2. Расчет ветвей ликвидуса и определения теплоты плавления чистых компонентов в двухкомпонентной системе.

3. Физико-химический анализ двухкомпонентной диаграммы плавкости.

Формулировка задания и исходные данные приводятся ниже.

Для облегчения выполнения задания даны приложения 1-5, библиографический список и приложение, содержащие диаграммы состояния различных металлических систем (в виде отдельно изданного методического пособия).