Анализ фазовых превращений в двойных сплавах с полной растворимостью компонентов в жидком состоянии и ограниченной растворимостью в твёрдом состоянии

Такие диаграммы фазового равновесия являются наиболее распрост­раненными. Они подразделяются на системы с перитектическим и эвтектическим превращениями.

Диаграмма фазового равновесия с ограниченной растворимостью ком­понентов в твердом состоянии и наличием перитектическсго превращения представлена на рис. 4.

Как видно, на диаграмме фазового равновесия имеется три одно­фазных области и три двухфазных области. Выше линии ликвидус СРК – расположена область ненасыщенного жидкого раствора Ж. Ниже линии СМ (солидус) находится область твердого раствора компонента В в компоненте А, обозначенного буквой α; растворимость В в А ограни­чена линией МА, называемой линией предельнойрастворимости (пли линией насыщения).

Рис. 4

Ниже линии ОК (солидус) расположена область твердого раствора компонента А в компоненте В, обозначенного буквой β. Предельная растворимость этого твердого раствора ограничена линией ОВ.

При температуре Т_МОР происходит перитектическое превращение:

,

т.е. жидкая фаза концентрации точки перитектики Р взаимодействует (реагирует) с ранее образовавшимся твёрдым раствором α, концентра­ции точки М; в результате этой реакции образуются новые кристаллы твёрдого раствора β концентраций точки О. Характерной особенностью перитектического превращения является то, что жидкая фаза находится в равновесии с двумя твёрдыми фазами, которые обогащены одним и тем же компонентом по сравнению с жидкой фазой.

В соответствии с правилом фаз при трёхфазном равновесии в двух-компонентной системе число степеней свободы равно нулю:

С = К – Ф + 1 = 2 – 3 + 1 = 0.

Следовательно, в случае трёхфазного равновесия температура и кон­центрация фаз не могут меняться; на кривой охлаждения будет наблю­даться горизонтальная температурная остановка. Горизонтальная изотермическая линия МОР на диаграмме, фазового равновесия является фазовой областью при постоянной температуре перитектического превра­щения, на которой в равновесии находится три фазы: Ж; α; β. Ли­ния МОР одновременно является и линией солидус. Рассмотрим фазовые превращения, происходящие при охлаждении в рассматриваемой системе, на примере сплавов составов Х ₁, Х ₂, Х ₃.

Сначала рассмотрим сплав Х ₂. Схема превращений запишется следую­щим образом:

В этом сплаве соотношение количеств жидкой фазы и твёрдой фазы α в начале перитектического превращения (точка 4 на диаграмме фазового равновесия) равно:

.

Такое соотношение точно соответствует полному перитектическому превращению в твёрдый раствор β, поэтому ниже Т ₄ сплав находится в однофазной области ненасыщенного β-твердого раствора.

Для сплава X ₁ в начале перитектического превращения (точка 2) имеем:

,

т.е. жидкая фаза исчезает раньше, чем прореагируют все кристаллы твёрдой фазы α, Схема превращений будет следующая:

Ниже температуры Т ₂ сплав X ₁ находится в двухфазной области.

В сплаве Х ₃ соотношение жидкой и твёрдой фаз в начале перитектического превращения (точка 6) выражается соотношением:

,

следовательно, в конце перитектического превращения в избытке ос­тается жидкая фаза, которая при дальнейшем охлаждении в интервале температур T ₆ – Т ₇ переходит в твердый раствор β. Для сплава Х ₃ будут наблюдаться следующие фазовые переходы:

Диаграмма фазового равновесия с ограниченной растворимостью компонентов в твёрдом состоянии и наличием эвтектического превращения дана на рис. 5.

Выше линии ликвидус АЕВ находится однофазная область ненасыщен­ного жидкого раствора. Ниже линии AM (солидус) расположена однофазная область твёрдого раствора α, которая ограничена линией предельной растворимости МО.

Ниже линии ВК (солидус) находится однофазная область твёрдого раствора β, ограниченная линией предельной растворимости КС.

Рис. 5

При температуре Т_МЕК происходит эвтектическое превращение:

т.е. жидкая фаза концентрации эвтектической точки Е кристаллизует­ся с образованием двух твёрдых фаз: твёрдого раствора α концентра­ции точки М, и твёрдого раствора β концентрации точки К. Характер­ной особенностью эвтектического превращения является то, что жидкая фаза находится в равновесии с двумя твёрдыми фазами, одна из которых обогащена по сравнению с жидкой фазой первым компонентом, а вторая обогащена другим компонентом.

По правилу фаз при трёхфазном равновесии число степеней свободы равно нулю:

С = К – Ф + 1 =2 – 3 + 1 = 0,

т.е. температура и концентрация фаз в течение всего превращения остаются постоянными.

На диаграмме фазового равновесия изотермическая линия МЕК является трёхфазной областью, на которой в равновесии находятся фазы α и β. Эта линия одновременно является линией солидус.

Рассмотрим процессы фазовых переходов при охлаждении сплавов Х ₁, Х ₂, Х ₃.

В сплаве Х ₃ эвтектического состава при Т ₆ происходит эвтектиче­ское превращение:

.

При температуре ниже T ₆ в связи с изменением предельной раствори­мости компонентов в твёрдых растворах α и β происходят одновре­менно следующие фазовые переходы:

где Т _К – комнатная температура.

В сплаве Х ₂ идут следующие превращения:

.

Соотношение количества жидкой и твёрдой фаз в конце кристаллизации твёрдого раствора α (температура Т ₅) определяется следующим образом:

.

Количество жидкой фазы соответственно равно:

.

Эта жидкая фаза концентрации эвтектической точки Е при Т ₅ превращается в смесь двух твёрдых растворов:

.

В связи с уменьшением растворимости компонентов в твёрдых растворах ниже Т ₅ идут следующие фазовые превращения:

Фазовые переходы для сплава Х ₁, даны ниже:

;

Диаграммы фазового равновесия, представляя собой совокупность областей устойчивости и равновесия фаз, характеризуют фазовое состояние сплавов в равновесных условиях. В диаграммах фазового равновесия не учитываются размеры, форма и взаимная ориентировка отдельных фаз, поэтому детальные сведения о микроструктуре сплавов в равновесном состоянии из диаграммы состояния получить невозможно. Качественная характеристика ожидаемой микроструктуры в условиях, близких к равновесным, может быть дана по диаграмме фазового равновесия, исходя из последовательных фазовых переходов при охлаждении и нагреве сплавов.

Подробные сведения о микроструктуре возможно получить только на основании микроструктурного анализа сплавов с помощью металлографического микроскопа. Микроструктура сплавов для случая ограниченной растворимости компонентов в твёрдом состоянии с наличием эвтектического превращения представлена на рис. 6.

Как видно, микроструктура сплава Х ₁ состоит из зёрен твёрдого раствора α и избыточных (вторичных) кристаллов твёрдого раствора β. Сплава Х ₂ имеет микроструктуру из кристаллов твёрдого раствора α и эвтектики α+β. Эвтектика представляет собой смесь двух твёрдых фаз и имеет пластинчатое, зернистое или скелетное строение. Эвтектика образуется в результате эвтектического превращения:

.

Рис. 6

Сплав Х ₃, называемый эвтектическим, имеет микроструктуру эвтектики. В сплаве Х ₄ наблюдается структура из кристаллов твёрдого раствора β и эвтектики, в сплаве Х ₅ – из зёрен твёрдого раствора β и избыточных (вторичных) кристаллов твёрдого раствора α. Микроструктура сплава Х ₆ состоит из зёрен твёрдого раствора β.

Отдельные структурно обособленные части (элементы) микрострукту­ры сплавов, которые при рассмотрении под микроскопом имеют своё ха­рактерное строение, называются структурными составляющими сплавов. Так, в сплаве Х ₂ структурными со­ставляющими являются кристаллы твёрдого раствора α и эвтектика, в сплаве Х ₃ – одна структурная составляющая (эвтектика).

В ряде случаев данные о структурных составляющих, полученные пу­тем микроструктурного анализа, указываются на диаграмме фазового равновесия в виде структурных областей, разделенных пунктирными вертикальными линиями. Диаграмма фазового равновесия с обозначени­ем структурных областей по данным микроструктурного анализа приве­дена на рис. 7, а. Сплавы, находящиеся по составу между точками М и Е, называются доэвтектическими, а между Е и К – заэвтектическими.

Количество структур­ных составляющих в спла­вах можно подсчитать по правилу отрезков. Так, в сплаве Х ₂ (см. рис. 7) количество эвтектики равно:

,

а количество второй структурной составляю­щей – кристаллов твёр­дого раствора α оп­ределяется из следующе­го соотношения:

.

Данные об изменении ко­личества структурных составляющих в зависи­мости от химического состава сплава при за­данной температуре иногда представляют в виде структурной диаг­раммы (рис. 7, б).

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: