Структурный анализ диаграммы состояния системы.

Структурный анализ диаграммы начинается с определения типа диаграммы. Тип диаграммы состояния определяется характером взаимодействия веществ (компонентов), образующих систему сплавов. В случае полной растворимости компонентов в жидком состоянии сплав представляет собой жидкий однофазный раствор. В твердом состоянии компоненты могут иметь различные степени растворимости. Поэтому могут образовываться твердые растворы, механические смеси или химические соединения. В качестве примера на рис. 7 приведена диаграмма состояния для компонентов А и В.

Для данной системы компонентов линия АEFB является линией ликвидус, линия ACDJG – линией солидус.

Из диаграммы видно, что выше заштрихованных областей (выше линии ликвидуса) сплавы находятся в жидком состоянии; ниже заштрихованных областей (ниже линии солидуса) – в твердом состоянии.

В заштрихованных областях (области кристаллизации) присутствуют две фазы: жидкая и твердая фаза различного состава.

В рассматриваемой системе двух компонентов образуются следующие фазы:

- твердые растворы a, b, g на основе компонента А;

- чистый компонент В.

Перечисленные фазы могут находиться как в структурно свободном состоянии, так и в различном сочетании друг с другом, образуя при этом механические смеси.

Предельная растворимость компонента В в А определяется линиями JS, CMH, PZ. По линиям JS и PZ видно, что с понижением температуры растворимость компонента В в А уменьшается.

На линии CDE происходит перитектическое превращение. Оно заключается в том, что кристаллы a - твердого раствора путем взаимодействия с окружающей их жидкостью образуют кристаллы b - твердого раствора. Это превращение можно выразить так:

a_С + ж_Е ® b_D,

где a_С – твердый раствор концентрации точки С;

ж_Е – жидкий раствор концентрации точки Е;

b_D – твердый раствор концентрации точки D.

На линии МNR происходит перитектоидное превращение. Оно заключается в том, что кристаллы a - твердого раствора концентрации точки М путем взаимодействия с кристаллами b - твердого раствора концентрации точки R образуют кристаллы g - твердого раствора концентрации точки N. Это превращение можно выразить так:

a_М + b_R ® g_N.

На горизонтальной линии JFG происходит эвтектическое превращение: жидкий сплав концентрации точки F превращается в механическую смесь – эвтектику (смесь кристаллов b - твердого раствора концентрации точки J и кристаллов компонента В):

ж_F ® (b_J + B).

Эвтектические сплавы более легкоплавки, чем все остальные сплавы этой системы.

На горизонтальной линии PSK происходит эвтектоидное превращение: b - твердый раствор концентрации точки S превращается в механическую смесь – эвтектоид (смесь кристаллов g - твердого раствора концентрации точки Р и кристаллов компонента В):

b_S ® (g_F + В)

В некоторых областях структурный состав будет отличаться от фазового состава:

а) структура доэвтектоидных сплавов (область 4) состоит из кристаллов g - твердого раствора и эвтектоида;

б) структура заэвтектоидных сплавов (область 5) состоит из кристаллов компонента В_II и эвтектоида;

в) доэвтектические сплавы состоят из кристаллов b - твердого раствора, компонента В_II и эвтектики (область 9), а так же из кристаллов компонента В_II, эвтектоида и эвтектики (область 6);

г) структура заэвтектических сплавов (области 7 и 8) состоят из кристаллов компонента В и эвтектики.

В остальных областях диаграммы фазовый и структурный составы совпадают.

Правило фаз.

При рассмотрении процессов превращения в сплавах применяется «правило фаз», которое дает возможность теоретически обосновать направление протекания этих процессов в системе.

Состояние любой системы можно определить следующими величинами: температурой, давлением и концентрацией. Эти величины являются переменными факторами, определяющими состояние равновесия между отдельными фазами. Переменные факторы, которые могут изменяться независимо друг от друга, называются независимыми переменными. Число таких переменных называется числом степеней свободы, или вариантностью системы.

Число степеней свободы зависит от числа компонентов, числа фаз системы, и числа переменных внешних условий (температура и давление). Давление в практических условиях изменяется в небольших пределах, и не оказывает существенного влияния на процессы превращения в сплавах. При использовании правила фаз считают давление постоянным. Уравнение правила фаз имеет вид

С = К – Ф + 1, где

С – число степеней свободы;

К – число компонентов системы;

Ф – число фаз системы;

1 – внешний фактор (температура).

Когда С = 0, это означает, что ни один из факторов, определяющих состояние системы, не может быть изменен без нарушения равновесия. Такое состояние системы возможно только при определенных и единственных значениях внешних условий и состава фаз (например, при образовании эвтектики). Система нонвариантная.

Если С = 1, это означает, что система имеет возможность изменения одного из факторов, определяющих состояние системы, без изменения числа равновесных фаз. Таким фактором может быть температура. Система моновариантная.

Правило отрезков.

Диаграмма состояния системы дает возможность установить не только состав фаз в сплаве любой концентрации, но и определить весовые количества фаз. Для этого применяют так называемое «правило отрезков» или «правило рычага». Это правило говорит о том, что для определения твердой фазы необходимо взять отношение длины плеча, примыкающего к составу жидкой фазы, к длине всего рычага; для определения же количества жидкой фазы берется отношение длины плеча, примыкающего к составу твердой фазы, к длине всего рычага.

Для определения состава и количества фаз в заданном сплаве Х (рис. 7) при заданной температуре (точка «в») нужно провести горизонталь (конóду) через точку «в» до пересечения с линиями ликвидус и солидус диаграммы. Точки пересечения «а» и «с» будут определять составы фаз, а соотношения длин соответствующих отрезков на горизонтали к длине всей коноды позволят определить количество (вес) фаз.

Применяя «правило отрезков», получим выражения:

Соотношение между весом твердой фазы и весом жидкой фазы для сплава Х будет определяться пропорцией

IV. Задание.

1. На диаграмме состояния обозначить критические точки.

2. Выписать буквенные обозначения линий ликвидуса и солидуса.

3. Провести фазовый и структурный анализ всех областей диаграммы с указанием структур и их составляющих, образующихся в сплавах данной системы в состоянии равновесия.

4. Для сплава Х при заданной температуре (задается преподавателем) определить количество компонентов А и В (%).

5. Определить весовое и количественное соотношение фаз в заданном сплаве, используя правило отрезков.

6. Построить кривую охлаждения в координатах t – τ для сплава Х (см. пример построения на рис. 7 б) и объяснить превращения, происходящие в данном сплаве в процессе охлаждения.

7. Изобразить схему строения сплава Х при комнатной температуре (см. пример рис. 7 в).

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: