3.2. Построение диаграмм состояния

Сущность термического метода построения диаграммы состояния сводится к определению критических температур при нагревании или охлаждении металлов и сплавов. Критическими называются температуры, при которых происходят фазовые превращения в сплаве (начало и конец кристаллизации, полиморфные превращения и другие).

В процессе охлаждения сплава (рис. 1) вначале скорость охлаждения велика, затем она уменьшается, т.к. происходит кристаллизация одной из фаз, при которой выделяется некоторое количество тепла. При кристаллизации эвтектики происходит остановка охлаж­дения (площадка на кривой охлаждения), так как выделяемое тепло, в связи с кристаллизацией двух и более фаз одновременно, полнос­тью компенсирует теплоотвод.

При охлаждении сплавов с различным содержанием компонентов получают ряд кривых, изображающих ход процесса охлаждения сплава.

Для двухкомпонентных систем при построении диаграмм по оси ординат откладывается температура, по оси абсцисс – концентрация элементов в сплаве (рис. 2).

Рисунок 1  График процесса кристаллизации сплавов	Рисунок 2  Координатные оси при построении диаграммы состояния сплавов олово-цинк

Общее содержание компонентов в сплаве 100%, и поэтому каж­дой точке на диаграмме соответствует определенное содержание ком­понентов.

Критические температуры начала и конца кристаллизации, полу­ченные при охлаждении сплавов, переносятся на координатные оси «температура–концентрация». Затем плавными линиями соединяются точки начала и конца кристаллизации сплавов. При наличии эвтекти­ки в сплаве точки конца кристаллизации сплавов располагаются на одной прямой при температуре кристаллизации эвтектики (рис. 3).

Сплавы на диаграмме состояния, располагающиеся до точки эв­тектики (слева направо), называются доэвтектическими, соответствующие точке эвтектики – эвтектическими, располагающиеся за точ­кой эвтектики – заэвтектическими. Структура этих сплавов на приме­ре системы Zn-Sn показана на рисунке 4.

Рисунок 3  Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой неограниченно

растворимы в жидком состоянии, нерастворимы в твердом

и при кристаллизации образуют смесь (эвтектику)

Рисунок 4  Схематическое изображение структуры системы олово-цинк:

а) доэвтектический сплав, олово+эвтектика (Sn+Zn); б) эвтектический сплав, эвтектика (Sn+Zn); в) заэвтектический сплав цинк+эвтектика (Sn+Zn)

3.3. Анализ диаграмм состояния

По диаграмме состояния можно определить критические точки сплава при нагревании и охлаждении и установить его структуру, выбрать сплав, обладающий наилучшими литейными свойствами, правильно назначить режим термической обработки.

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой неограниченно растворимы в жидком состоянии, нерастворимы в твердом и при кристаллизации образуют эвтектику (рис. 3):

АЕС – ликвидус, начало кристаллизации сплавов.

ВЕF – солидус, конец кристаллизации сплавов; на этой линии происходит одновременная эвтектическая кристаллизация компонентов А и В при постоянной температуре. Линия называется эвтектической.

АЕ – начало кристаллизации компонента А.

ЕС – начало кристаллизации компонента В.

Точка Е называется эвтектической, в ней происходит одновре- менная кристаллизация компонентов при самой низкой и постоянной температуре.

Кристаллизация и структурообразование сплавов (I–III)

Сплав I – доэвтектический. Критическая точка 1 – начало кристаллизации компонента А, две фазы: жидкость и зародыши зерен компонента А.

Критическая точка 2 – кристаллизация эвтектики, т. е. из оставшейся к этой температуре жидкости одновременно кристаллизуются компоненты А и В:

Ж_Е  А + В (1)

На кривой охлаждения образуется площадка 2-2. Структура сплава после охлаждения состоит из зерен компонента А и эвтектики.

По мере охлаждения сплава между точками I и 2 жидкость меняет свою концентрацию по линии AЕ. Чтобы определить состав твердой и жидкой фаз при заданной температуре t₁ сплава I (рис. 4), необходи­мо через точку t₁ провести коноду, т. е. прямую линию, параллельную оси концентрации, до пересечения с линиями диаграммы и точки пересечения спроектировать на ось концентрации. Точка пересечения l c линией ликвидус покажет концентрацию компонентов А и В в жидкой фазе, точка S – в твердой (чистый компонент А).

Соотношение масс фаз при заданной температуре можно определить по правилу отрезков.

Правило отрезков. Массы фаз относятся между собой как обрат­ная пропорция отрезков коноды. Например, при температуре t₁ сплав I имеет 2 фазы: жидкую и твердую с количеством масс Q_Ж и Q_ТВ, соотношение фаз определится выражением (2), а количество жидкой и твердой фаз – соотношениями (3) и (4):

Q_ж/Q_тв = st₁/t₁l, (2)

Q_ж = Рst₁/sl, (3)

Q_тв = Рt₁l/sl, (4)

где Р – общая масса сплава.

Сплав II – эвтектический. Критическая точка Е  компоненты А и В кристаллизуются одновременно при постоянной температуре: Ж_Е  А + В.

Присутствуют 3 фазы: жидкость эвтектического состава, компо­ненты А и В. На кривой охлаждения образуется площадка 1-1.

Структура сплава после охлаждения состоит из эвтектики (смеси кристаллов компонентов А и В).

Сплав III – заэвтектический. Критическая точка 1 – начало крис­таллизации компонента В. Фазы две: жидкость, кристаллы компонента В. По мере охлаждения сплава жидкость меняет концентрацию по линии ликвидус ЕС. Например, при t₂ состав жидкости определится точ­кой n, спроектированной на ось концентраций, а состав твердой фазы – проекцией точки m.

Критическая точка 2 – кристаллизация эвтектики, т. е. из остав­шейся к этой температуре жидкости при постоянной температуре кристаллизуются оба компонента:

Ж_Е  А + В.

Структура сплава после охлаждения состоит из зерен компонента В и эвтектики.

Правило фаз Гиббса устанавливает зависимость между числами фаз системы, ее компонентов и степеней свободы:

С = К – Ф + 1, (5)

где С – число степеней свободы, или вариантность системы;

К – число компонентов системы;

Ф – число фаз, находящихся в равновесии в данной критической точке.

Под числом степеней свободы понимается число независимых па­раметров системы, которые можно изменить, не изменяя равновесия, например, температуру без изменения числа фаз. Так как степень свободы не может быть меньше нуля и дробным числом, то

К – Ф + 1  0 (6)

Ф  К + 1(7)

Следовательно, в двойной системе в равновесии может находиться не более трех фаз, в тройной – не более четырех и т. д.

Например, определим число степеней свободы у сплава I в 1-й критической точке (рис. 5):

С = К – Ф + 1, С = 2(А, В) – 2(А, Ж) + 1 = 1,

т. е. с изменением температуры между точками 1-2 число фаз не изме­няется, а происходит переход одной фазы (жидкости) в другую (ком­понент А). Во второй точке

С = К – Ф + 1, С = 2(А, В) – 3(А, В, Ж) + 1 = 0,

т. е. процесс кристаллизации эвтектики идет при постоянной темпера­туре, система нонвариантна. Изменение температуры ведет к измене­нию количества фаз.

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой растворимы в жидком состоянии, нерастворимы в твердом и при кристаллизации образуют устойчивое химическое соединение (рис. 5).

Рисунок 5  Диаграмма состояний сплавов, компоненты которой неограниченно

растворимы в жидком состоянии, нерастворимы в твердом и при кристаллизации образуют устойчивое химическое соединение

Диаграмма рассматривается как совокупность двух диаграмм состояния, где в роли компонента выступает химическое соединение:

I часть диаграммы – компоненты А и А_тВ_n;

II часть диаграммы – компоненты В и А_тВ_n.

Обе части диаграммы характеризуются неограниченной раствори­мостью в жидком состоянии. В твердом состоянии они нерастворимы, при кристал­лизации образуется эвтектическая смесь, состоящая из кристаллов компонента и химического соединения.

Диаграмма состояний сплавов, компоненты которой неограниченно растворимы друг в друге в жидком и твердом состояниях (рис. 6):

АnВ – ликвидус, начало кристаллизации твердого раствора;

АтВ – солидус, конец кристаллизации твердого раствора.

Кристаллизация и структурообразование сплавов (I)

Критическая точка 1 – начало кристаллизации твердого раство­ра α:

Ж  .

Критическая точка 2 – конец кристаллизации твердого раство­ра α.

При кристаллизации в интервале температур между точками 1-2 жидкая и твердая фазы изменяют состав. Изменение концентрации жид­кости определяется линией ликвидус АnВ, а концентрации твердого раствора – линией солидус АmВ. Например, в сплаве I при температу­ре t₁ состав жидкой фазы соответствует точке c, твердой – точ­ке d, спроектированными на ось концентраций. По правилу отрезков количество твердой фазы

Q_тв = Pct₁/cd (8)

Структура сплава: зерна однородного твердого раствора α.

Рисунок 6  Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой неограниченно

растворимы друг в друге в жидком и твердом состояниях

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой неограничен­ но растворимы в жидком состоянии, ограниченно – в твердом, при кристаллизации образуют эвтектическую смесь (эвтектику) (рис. 7).

АЕС – ликвидус;

АВЕFС – солидус;

АЕ – начало кристаллизации твердого раствора α;

АВ – конец кристаллизации твердого раствора α;

ЕС – начало кристаллизации твердого раствора β;

СF – конец кристаллизации твердого раствора β;

ВМ – ограничение растворимости компонента В в кристаллической решетке компонента А.

FN – ограничение растворимости компонента А в кристаллической решетке компонента В.

Точки В, F – максимальная растворимость компонентов друг в друге.

Диаграмма отличается от диаграммы (рис. 3) наличием двух об­ластей граничных твердых растворов α и β. Компоненты в чистом виде в сплавах этой системы макроскопически не присутствуют, а находятся только в виде твердых растворов α и β.

Кристаллизация и структурообразование в сплавах, состав которых находится в интервале проекций точек В и F диаграммы (рис. 7) на ось концентраций, происходят аналогично ранее рассмотренным примерам диаграммы с нерастворимыми в твердом состоянии компонентами, только вместо компонентов А и В присутствуют твердые растворы α и β.

Кристаллизация и структурообразование сплавов IV (V)

Критическая точка 1 – начало кристаллизации твердого раствора.α(β), две фазы: жидкость и α(β). В интервале темпера­тур между точками 1 и 2 идет кристаллизация:

Ж  ().

Критическая точка 2 – конец кристаллизации α(β), в структуре сплава осталась одна фаза – α(β). В интервале температур меж­ду точками 2 и 3 – охлаждение твердого раствора α(β). За счет снижения растворимости твердый раствор становится насыщенным. Критическая точка 3 – начало выделения вторичного твердого раство­ра β_II(α_II) из пересыщенного твердого раствора α(β) вследствие уменьшения растворимости компонентов при снижении температу­ры. В интервале температур между точкой 3 и комнатной выделяется вторичный твердый раствор β_II(α_II). В структуре сплава две фазы:

IV ( + _II); V ( + _II).

Рисунок 7  Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой неограниченно

растворимы в жидком состоянии, ограниченно в твердом

и при кристаллизации образуют смесь (эвтектику)