Анализ диаграмм состояния двойных сплавов

РАБОТА  5
АНАЛИЗ ДИАГРАММСОСТОЯНИЯ ДВОЙНЫХ СПЛАВОВ
Цель работы: изучениеосновных типов диа­грамм состояния двойных систем, приобретение практическихнавыков изучения превращений, про­текающих при кристаллизации сплавов, анализпо­лученных данных и определение возможности их использования па практике.
Знание диаграммсостояния различных систем, харак­теризующих превращения в сплавах, и умениеанализи­ровать эти превращения позволяют оценить свойства сплавов и в конечномитоге рационально выбрать мате­риал для тех или иных изделий в зависимости отпредъ­являемых к ним требований.
Диаграммы состояния изображаются в координатах температура — содержание компонентов. Линии, соеди­няющие критические точки аналогичныхпревращений в системе, разграничивают области существования равно­весных фаз.Любая точка на диаграмме определяет фа­зовый и химический составы сплава, а такжеего струк­туру при данной температуре. Вертикальная линия соот­ветствуетопределенному химическому составу сплава. В зависимости от того, каквзаимодействуют компоненты сплавов между собой в твердом состоянии (обладаютразличной взаимной растворимостью и образуют твердые растворы; образуютэвтектики или химические соедине­ния), различают несколько типов диаграмм.
Рассмотрим, например,превращения, происходящие в сплавах Al — Са (рис. 5.1). Выше линии ликвидус ABCDEF оба компонента находятся в жидком состояниии в любых соотношениях неограниченно растворяются друг в друге. Ниже линиисолидус AMBNPQKEH сплавы системы находятся в твердомсостоянии. Фнализ диаграм­мы показывает, что при затвердевании происходят сле­дующиепревращения.
1. Образуется α-твердый раствор Са в А1. Область существования твердого раствора – AMS1 прилегает к линии чистого А1. Точка Мпоказывает максимальную растворимость Са в А1, точка S1 — минимальную, линия MS1 — ограничение растворимости Са в Al. Итак, с пони­жением температуры наблюдается уменьшениераствори­мости Са в Al в соответствиис линией MS1. Избыточный кальций, который не может быть растворен в α — твердом растворе, выделяется приохлаждении ниже линии MS1 в виде вторичных кристаллов СаAl 311 в отличие отпервич­ных СаAl 3, образующихся при наличии жидкой фазы в точке Р.
2. Образуются химическиесоединения СаAl3 и СаAl 2, кристаллизующиеся из жидкого сплавапри температу­рах, соответствующих точке D, и точке Р при взаимодей­ствии жидкой фазы ихимического соединения СаAl2 (соответственно) .
Превращение, протекающеепри постоянной темпера­туре, когда из двух фаз, одна из которых является жид­кой,образуется третья и все фазы в момент превращения имеют определенный состав,называется перитектическим и может быть записано в виде реакции
T= const
Ж c  + CaAl 2 (Q)  ———-> СаА1 3(р),
где символы С, Q, Р показывают содержаниекомпонен­тов в соответствующих фазах.
/>
Рис. 5.1. Диаграммасостояния (в) и кривые охлаждения (а, б, г, д) сплавов системы Al — Са (структурный анализ):
I...IV — номера сплавов
В процессеперитектического превращения в соответ­ствии с правилом фаз С = К – Ф + 1 = 2 –3 + 1 = 0. Приме­нение правила отрезков (конода CPQ) показывает, что при перитектическом превращении массывзаимодейству­ющих фаз строго определенны. В доперитектических спла­вах,расположенных левее точки Р, в избытке остается жидкая фаза, котораязатем испытывает все превращения, описанные ниже для сплава II. Взаперитектических спла­вах, расположенных правее точки Р, избыточнойявля­ется твердая фаза (в данном случае СаAl2). Химическое соединение СаAl3 является устойчивым при нагревании вплоть до температурыплавления (точка D). Химическоесоединение СаAl3 неустойчиво и, будучи нагретым до тем­пературы точкиР, разлагается на жидкость и СаAl2.
3. Формируются двеэвтектики Э 1 и Э 2. Первая пред­ставляет собой тонкуюмеханическую смесь кристаллов α -твердого раствора и СаА1 3,образующуюся (при С = 0) из жидкости по реакции
/>
Вторая эвтектикапредставляет собой тонкую механи­ческую смесь кристаллов Са и СаAl 3 и образуется но ре­акции
/>
При этом превращении, каки при первом эвтектиче­ском превращении, система нонвариантна (С = 0).
В ряде систем возможнаподобная реакция, но смесь двух различных фаз образуется не из жидкости, а изтвердого раствора. Такая реакция называется эвтектоидной.
Рассмотрим кривыеохлаждения нескольких сплавов (см. рис. 5.1) и проведем их подробныйструктурный анализ.
Сплав I. При охлажденииот точки 0 до точки 1 (см. рис. 5.1, а) сплав находится в жидкомсостоянии (С = 2). При температуре t 1, соответствующей точке 1, на­чинаетсякристаллизация сплава. Конода abc—отрезокизотермы, проведенный влево и вправо от линии сплава до пересечения с линиямидиаграммы, где расположены искомые фазы или структурные составляющие (см. рис.5.1, в). Она показывает, что это кристаллы α — твердого ра­створа(точка а коиоды указывает на область α ). Вторая точка коноды суказывает на наличие жидкой фазы. Пользуясь правилом отрезков, можно определитьмассо­вую долю (Q, %)сосуществующих фаз. Например, при температуре t 1 Q α  = bc / ac*100,Qж = bc / ac*100.Итак, для определения содержания любой из двух фаз необходимо взять отношениедлины противолежащего от искомой фазы отрезка коноды к длине всей коноды.Проекции то­чек а и с на ось концентраций покажут, каково содержа­ниекомпонентов в каждой из фаз (точка а — в α — твердом растворе,точка с — в жидкой части сплава).
При охлаждении сплава Iот  t 1 до t 2 доля твердой фа­зы растет, а жидкой— соответственно уменьшается, что подтверждается правилом отрезков.
К моменту охлаждениясплава до t 2 содержание ком­понентов в последних порцияхкристаллов α — твердого ра­створа будет соответствовать точке М, ав жидкости — точке В. Как видно, жидкость имеет эвтектический состав ипотому она кристаллизуется по первой эвтекти­ческой реакции (С = 0), протекающейпри постоянной тем­пературе (t2 = t 2’). С исчезновением при t 2’жидкостипервичная кристаллизация заканчивается, а от t2’ до t 3 протекает вторичная кристаллизация сплава (из твердой α - фазы выделяется СаAl 3 11).
Сплав II. От t  0до  t 1   (см. рис. 5.1, б) идет охлажде­ние жидкой фазы, от t 1 до t2  — выделение изжидкости кристаллов СаAl3. Затем протекает эвтектическая реак­цияпри постоянной температуре (линия MBN на рис. 5.1, в) и жидкая часть сплава переходит в эвтектику.Ни­же t 2 никаких превращений в кристаллах СаAl 3 и в эв­тектике не происходит.
Сплав III. От t 0 До t1 (см.рис. 5.1, г) идет охла­ждение жидкой фазы, от t 1 до t 2 происходит выделение из жидкостикристаллов CaAl 2. По достижении темпера­туры, соответствующей линии CPQ, протекает перитектическая реакция(С = 0)
/>
Поскольку линия сплаваIII проходит правее точки Р, т. е. ближе к линии CaAl 2, то в результате перитектического превращенияобразуется СаAl3 и некоторая часть СаAl2 остается в избытке. Ниже t 2 никаких превращений в сплаве не происходит.
Кристаллизацию сплава IV(см. рис. 5.1, д) анализи­руют по аналогии с рассмотренными вышесплавами.
Анализ кривых охлаждениячистых компонентов Al и Са ихимического соединения CaAl2показывает, что они имеют одинаковый характер (площадку кристаллизации в точкахA, F и Dсоответственно) и отличаются лишь температурным уровнем площадки кристаллизации.Та­ким образом, устойчивые химические соединения ведут себя подобно компонентамсплава и, приняв CaAl 2 услов­но за компонент, диаграмму А1—Са (см. рис. 5.1,в)
/>
Рис. 5.2.  Диаграмма состояния сплавов системы Al — Са (фазовыйанализ)
Можно рассматривать каксостоящую из двух самостоя­тельных диаграмм А1—CaAl2 и СаAl2— Са. При этомдиаграмма CaAl 2 — Са является по существу элементар­нойдиаграммой, когда оба компонента в твердом состоя­нии нерастворимы друг в другеи образуют механическую смесь—эвтектику. Аналогичная диаграмма (Sn—Zn) была рассмотрена в работе 4. Диаграмма А1—CaAl 2 со­стоит из частей элементарных диаграмм состояния согра­ниченной растворимостью компонентов в твердом состоя­нии, с эвтектическими перитектическим превращениями.
На рис. 5.2 приведенырезультаты фазового анализа диаграммы Al  —Са.
Фазовый состав сплавов влюбой области легко опре­делить с помощью коноды, концы которой указывают наравновесные сосуществующие фазы и содержание в них компонентов. Линия ликвидуспоказывает не только тем­пературу начала кристаллизации соответствующих спла­вов,но и содержание компонентов в жидкой фазе любого сплава в зависимости оттемпературы. Солидус опреде­ляет температуру окончания кристаллизации и содержа­ниекомпонентов в твердой кристаллизующейся фазе.
В случае, если необходимоопределить массовую до­лю структурных составляющих, например, в сплаве IV длятемпературы t 2 — эвтектики и СаАl 2, проводят коноду fpk (см. рис. 5.1) до линий, соответствующих составля­ющим,и пользуются соотношениями Q CaAl2  = ph / (fh) * 100 и Qэ 2 = fh / 9fk)*100.Структурная составляющая сплава имеет под микроскопом своеобразный вид.

Задания
1. Начертить заданнуюпреподавателем диаграмму состояния двойных сплавов (см. прил. 2.1—2.24).
2. Обозначить все линиидиаграммы, отметив линии ликвидус и солидус.
3. Провести структурный ифазовый анализ диаграммы и опи­сать все нонвариантные превращения в сплавах.
4. Построить кривуюохлаждения для заданного преподавате­лем сплава с объяснением всех превращенийи зарисовкой микро­структур, с применением правила фаз и правила отрезков (длядвух различных фазовых областей).
5. Сделать выводы и написатьотчет по работе в соответствии с пунктами заданий.
Занятие в подгруппецелесообразно посвятить разбору несколь­ких реальных характерных диаграммсостояния, а индивидуальное задание рекомендовать выполнить дома.
Процессструктурообразования в сплаве IV студенту рекомен­дуется описатьсамостоятельно, используя кривую охлаждения этого сплава, приведенную на рис.5.1.