7. Диаграмма состояния сплавов с полиморфными превращениями компонентов и эвтектоидным превращением.

Диаграмма состояния сплавов, у которых высокотемпературные модификации компонентов γ обладают полной взаимной растворимостью, а низкотемпературные α_F, β_N – ограничены, приведена на рис. 2.2з.

По аналогии с линией эвтектического превращения DCE и эвтектической точкой C на рис. 2.2в линию СDE называют линией эвтектоидного превращения, а D – эвтектоидной точкой. Смесь кристаллов ограниченных растворов α (на основе низкотемпературной модификации полиморфного компонента А) и β (на основе низкотемпературной модификации полиморфного компонента В), которая образуется в твердом состоянии по реакции γ_D → α_C + β_E, получила название эвтектоида.

Сплавы, расположенные левее эвтектоидной точки D, называют доэвтектоидными, а сплавы, расположенные правее D, – заэвтектоидными.

2.6. Описание диаграммы состояния

Диаграммы состояния систем конкретных компонентов (например, «Железо – углерод», «Медь – алюминий» и др.) редко являются простейшими (типовыми) диаграммами. Они, как правило, являются сложными (комбинированными) диаграммами, в строении которых нужно уметь выделить простейшие (типовые) части их. На рис. 2.3 приведена сводная таблица так называемых геометричес­ких образов различных превращений, т.е. показано расположение линий диаграмм, характерное для различных случаев взаимодействия компонен­тов и фаз.

солидус
Полиморфные превращения

Рис. 2.3. Сводная таблица геометрических образов различных превращений

В этом подразделе задания студент, изучив простейшие (типовые) диаграммы состояния (рис. 2.2) и ориентируясь по свод­ной таблице геометрических образов (рис. 2.3), должен дать общий анализ заданной диаграммы состояния, т. е. ответить на следующие воп­росы:

• Растворяются ли компоненты в жидком состоянии и как (ограниченно или неограниченно)?

• Растворяются компоненты в твердом состоянии, образуя ограниченные или неограниченные твердые растворы, или не растворяются, образуя смеси чистых компонентов, химических соединений и т.п.? Если образуются твердые растворы, то нужно их перечислить.

• Образуют ли компоненты устойчивые или неустойчивые химические соединения? Если образуют, то нужно перечислить их формулы и хи­мические составы.

• Перечислить все нонвариантные превращения, протекающие в заданной системе (эвтектические, эвтектоидные, перитектические, перитектоидные и др.), дать при этом словесное описание сути этих превращений, написать их уравнения, указать температуру и химические составы участвующих фаз.

2.7. построение кривой охлаждения заданного сплава и Описание процесса кристаллизации

Сначала необходимо указать, до какой температуры сплав охлаждается, находясь в жидком состоянии (точка ликвидус), и на гра­фике в координатах «Температура – Время» от любой точки, расположенной на оси ординат выше точки ликвидус, провести до нее круто падающую кривую. Это будет первый участок кривой охлаждения.

Затем для каждого температурного ин­тервала, образованного критическими точками, а также для ин­тервала под нижней критической точкой:

• описать процесс кристаллизации, который начинается при достиже­нии сплавом данной критической точки;

• пользуясь правилом фаз, установить, идёт ли описываемый процесс в интервале температур или при постоянной температуре;

• на кривой охлаждения изобразить новый ее участок в рассматривае­мом интервале температур, идущий под другим углом, нежели преды­дущий, если процесс идёт при изменении температуры, или изобра­зить горизонтальную площадку, если процесс идёт при постоянной температуре;

• написать уравнение рассматриваемого процесса;

• описать структуру, которая сформировалась в сплаве к моменту окончания рассматриваемого процесса.

После рассмотрения последнего температурного интервала (под ниж­ней критической точкой) ответ на этот пункт задания следует завершить описанием структуры сплава, сформировавшейся к моменту окончания последнего превращения.

Для правильного описания процесса кристаллизации заданного сплава надо, опираясь на знание типовых диаграмм и ориентируясь по таблице геометрических образов (рис. 2.3), правильно устано­вить, каким фазовым превращениям соответствуют линии диаграммы, пе­ресекаемые ординатой заданного сплава.

Применяя «правило фаз» (2.1) определить можно ли менять внешний фактор, не нарушая равновесие фаз. При К = 2, Ф = 3, С = 0 – нонвариантная система и, следовательно, чтобы сохранить равновесие фаз, охлаж­дать сплав нельзя, процесс идёт при постоянной температуре (на кривой охлаждения – горизонтальная площадка) и при строго определенных (единственных) концентрациях фаз, участвующих в этом процессе. Если число степеней свободы С = 1 (моновариантная система) или С = 2 (бивариантная система), то процесс идёт в интервале температур и на кривой охлаждения началу данного процесса соответствует точка перегиба (из­менение наклона кривой).

Первичной кристаллизации (образования твёрдых фаз из жидкого сос­тояния) соответствуют три типовые кривые охлаждения (рис. 2.4, 2.5, 2.6).

I	III	IV
Рис. 2.4. Кристаллизация при С = 0. I – чистые металлы: ЖМе→Ме. К = 1 (Ме), Ф = 2 (ЖМе, Ме), С = 0. II – сплавы, образующие смеси фаз: Ж→(α+β) К = 2 (А, В), Ф = 3 (Ж, α, β), С = 0.	Рис. 2.5. Кристаллизация при С = 1. Сплавы, образующие неограниченные твердые растворы: Ж→α. К = 2 (А, В), Ф = 2 (Ж, α), С = 1.	Рис. 2.6. Кристаллизация в два этапа (например, до- и заэвтектоидные сплавы). Ж→α. К = 2 (А, В), Ф = 2 (Ж, α), С = 1. Ж→(α+β) К = 2 (А, В), Ф = 3 (Ж, α, β), С = 0.

Точки 1 соответствуют началу кристаллизации. Выше этих точек сплавы охлаждаются по физическим законам (без тепловых эффектов). Площадки 1_I–1_I', 1_II–1_II', 2_IV–2_IV' обусловлены выделением скрытой тепло­ты кристаллизации, которая уравновешивает отвод тепла от системы.

Охлаждение в интервалах 1_III–2_III и 1_IV–2_IV также сопровождается выделением теплоты, которой не хватает для сбалансирования отведенно­го от системы тепла. Поэтому в точках 1_III и 1_IV наблюдается перегиб в сторону замедления охлаждения. Точки 2 соответствуют окончанию процесса первичной кристаллизации.

Дальнейшее охлаждение чистых металлов идёт по физическим законам. Также охлаждаются сплавы, состоящие из компонентов, нерастворяющихся друг в друге в твердом состоянии. Большинство других сплавов по мере охлаждения претерпевают фазовую перекристаллизация, образуя сме­си фаз или вторичные выделения.

Вопрос о возможности вторичных выделений решается легко. Если линии диаграммы, показывающие состав охлаждающихся твёрдых фаз, нак­лонны (состав их фаз изменяется с падением температуры), то в сплаве образуются вторичные выделения. Надо правильно решить вопрос о том, какие именно вторичные фазы выделяются. Вторичные выделения сопровож­даются тепловым эффектом, поэтому на кривой охлаждения температуре начала выделения вторичных кристаллов соответствует перегиб.

Если линии диаграммы, показывающие состав охлаждающихся твёрдых фаз, вертикальны (состав фаз не изменяется с падением температуры), то вторичных выделений в сплаве не происходит.

При определении структуры сплава, сформировавшейся к моменту достижения конца данного температурного интервала, а также окончательной структуры сплава, образовавшейся после последнего прев­ращения, нужно четко отличить структурный состав (структуру) сплава от фазового состава.

Фазами, как известно, называют однородные части системы, имею­щие одинаковый состав, строение, свойства и отделенные от других частей системы поверхностью раздела.

Температурный интервал, °С	Фазы	Структура
1400–1200	Ж	Ж
1200–1000	Ж,	Ж+γ
1000–600	γI	γ
600–500	γ, В	γ+ВII
500–0	γ, В	ВII+(α+В)

Рис. 2.7. Диаграмма сплава с эвтектоидным превращением и таблица с указанием фазового и структурного состава сплава I в разных интервалах температур

Под структурными составляющими понимают отдельные, обособленные части сплава, имеющие при рассмотрении под микроскопом однообразное строение с присущими им характерными особенностями. Структура ха­рактеризуется видом, формой, величиной, относительным количеством, распределением составляющих по объему или в плоскости шлифа. Струк­турная составляющая может состоять из одной, двух и более фаз. Фор­мирование структуры прослеживается легче всего по превращениям, ука­занным на кривой охлаждения. Нужно следить за тем, какая (или какие) фаза участвует в фазовом превращении. Могут быть различные варианты. Например, двухфазный сплав, достигнув критической температуры, испы­тывает фазовое превращение. При этом фазы, взаимодействуя, расходу­ются полностью и образуется новая фаза. Возможен и другой путь. Одна фаза превращается в смесь фаз, а другая переходит в область низких температур как структурно свободная составляющая. Приведем пример (рис. 2.7).

Рис. 2.8. Примерная структура сплава I при комнатной температуре

В интервале 1000–600 °С сплав был однофазным. При охлаждении от 600 до 500 °С из γ-твёрдого раствора выделяются вторичные кристаллы компонента В_II. При 500 °С имеет место эвтектоидное превращение γ→(α+В). Вторичные кристаллы В_II в реакции участия не принимают. После завершения реакции они оказались на границе раздела эвтектоидных колоний (рис. 2.8). Таким образом, структура сплава при температуре ниже 500 °С состоит из вторичных кристаллов компонента и эвтектоида: В_II+(α+В).

2.8. Анализ состояния сплава при заданной температуре

На ординате, соответствующей заданному (согласно варианту задания) сплаву, нанести точку, отвечающую указанной в таблице температуре. Обозначить ее любой буквой. Написать ответ на первую часть вопроса: из каких фаз состоит сплав при заданной температуре. Название фаз выписать из области диаграммы, в которую попадает горизонтальная линия (конода), соответствующая заданной в варианте температуре.

Для определения количественного соотношения фаз необходимо провести горизонталь (коноду) до пересечения с ближайшими линиями диаграммы. Конечные точки этой горизонтали обозначить какими-либо буквами и спроектировать на ось концентраций для определения состава (содержания компонентов А и В в процентах).

Для определения веса фаз на 1 килограмм сплава необходимо воспользоваться формулой (2.4). Длины отрезков не следует измерять линейкой. Необходимо воспользоваться осью концентраций, т. к. при нахождении составов фаз были спроектированы конечные точки коноды на эту ось и определены их абсциссы в соответствующем масштабе.

2.9. Варианты заданий для домашней работы «Анализ двойных диаграмм»