Реферат: Діаграма стану двокомпонентних сплавів
При аналізі діаграми стану може виникнути питання про фазовий склад будь-якого сплаву при визначеній температурі, про відносну кількість кожної з фаз, про концентрації в цих фазах компонентів. Відповідь на ці питання, можна одержати за допомогою правила відрізків. Наприклад, для сплаву І-І при температурі, що характеризує т.д. потрібно одержати відповіді на зазначені питання. Через т.д. проводимо відрізок горизонтальної прямої (коноду) до перетину з лініями діаграми, що обмежують дану область, проекції точок перетину на вісь концентрацій дадуть склад фаз. При цьому склад рідкої фази визначається, проекцією т.с. на вісь концентрацій, а склад a-твердого розчину - проекцією т.К. Відносна кількість кожної з фаз визначається співвідношенням довжини відповідних відрізків коноди:
Правило відрізків можна використовувати лише в двохфазних областях діаграми
Розглянемо діаграму стану сплаву механічна суміш (рис 3). Лінія асв – лінія ліквідус, а лінія акслв – лінія солідус. Діаграми стану подібного типу при певній концентрації компонентів мають найнижчу температуру плавлення (т.с), яка називається евтектичною температурою. При цій температурі проходить евтектичне перетворення, суть якого в одночасному виділенні з рідини двох або більше типів кристалів, які мають свої типи кристалічної гратки. Кристалики дуже малих розмірів, в оптичних мікроскопах часто не розрізняються і спостерігаються як єдине зерно евтектики.
Рис 3. Діаграма стану сплаву механічна суміш.
При цьому рентгеноструктурний аналіз показує наявність двох або більше типів кристалічних граток. Для зображення евтектичної механічної суміші компоненти беруть в дужки (А+В). Тоді евтектичне перетворення буде мати вигляд L=(А+В). В сплавах механічна суміш нижче лінії ліквідус з рідини виділяються кристали чистих компонентів А або В. При цьому лівіше т.с буде рідина і кристали компоненту А, а правіше – рідина і компонент В. При зниженні температури до температури евтектичного перетворення (лінія ксл) почне виділятися евтектична механічна суміш компонентів. Структура сплавів при кімнатній температурі буде складатись з кристалів чистих компонентів і евтектики. Для чисто евтектичного сплаву ІІ-ІІ структура буде складатися тільки з зерен евтектики. Розрахунок числа ступенів свободи при побудові кривих охолодження аналогічний вищесказаному за виключенням протікання евтектичного перетворення. С=К–Ф+1, К=2, Ф=3, тому що з рідини (одна фаза) одночасно виділяються два типа кристалів (дві фази), таким чином Ф=1+2=3 і С=2–3+1=0, тобто маємо нонваріантну систему і ні один з факторів (температура, концентрація) не змінюється без зміни числа фаз. На кривій охолодження з’явиться горизонтальна площадка. Після повної кристалізації рідини залишаться тільки дві фази: кристали А і В, С=2–2+1=1 і почнеться зниження температури.
Розглянемо діаграму стану сплаву обмежений твердий розчин. Такі діаграми бувають з евтектичним перетворенням, яке відбувається так, як в сплавах механічна суміш і перитектичним перетворенням. Розглянемо сплав з евтектичним перетворенням. (Рис. 4.4).
Рис. 4. Діаграма стану сплаву обмежений твердий розчин з евтектичним перетворенням.
Лінія ліквідус – крива асв, лінія солідус – крива акслв. Процеси, що відбуваються при охолодженні аналогічні процесам, які мають місце при охолодженні сплаву механічна суміш, за виключенням того, що з рідини будуть виділятися не кристали чистих компонентів, а твердих розчинів на основі цих компонентів, тобто a і b. Розглянемо більш детально сплав І-І. В області 1-2 появляться кристали твердого розчину на основі кристалічної гратки компоненту А, які позначаються a. В області 2-3 вся рідина закристалізувалась і утворився однофазний твердий розчин a. Крива км показує максимальну розчинність компоненту В в компоненті А, яка зменшується при знижені температури. Нижче т.3 надлишок компоненту В буде виділятися в вигляді кристалів твердого розчину компоненту А в компоненті В, тобто b. Таким чином, нижче т. 3 буде знаходитись область існування кристалів a і b. Для всіх сплавів розташованих лівіше т.м кінцева структура буде складатися з одних кристалів a-твердого розчину. Аналогічно для сплавів, що знаходяться між т.л та н надлишок компоненту А буде виділятися з b- твердого розчину в вигляді кристалів a, а для сплавів, що знаходяться правіше т.н будемо мати однофазну структуру b- твердого розчину. Для сплавів, що знаходяться між т.к та л відбувається евтектичне перетворення з утворенням з рідини одночасно механічної евтектичної суміші кристалів твердих розчинів: L=(a+b) і кінцева структура буде складатись з кристалів евтектики та b або a- твердих розчинів.
Діаграма стану обмеженого твердого розчину з перитектичним перетворенням зображена на рис 5. На цій діаграмі лінія адл – лінія ліквідус, а крива авсл – лінія солідус. При досягненні температури перитектичного перетворювання – лінія всд рідина складу т.д взаємодіє з утвореними кристалами a- твердого розчину складу т.в з утворенням кристалів b- твердого розчину (L+a=b). Таким чином, для сплавів, що знаходяться між т.к і м в результаті перитектичного перетворення, або зменшення розчинності одного компонента в іншому (криві кв та мс) кінцева структура сплаву буде складатися з механічної суміші кристалів твердих розчинів a і b. Процес перитектичного перетворення характеризується одночасним існуванням трьох фаз, що на кривих охолодження відобразиться горизонтальною ділянкою (2-2?).
Діаграми стану сплаву хімічна сполука розділяються хімічною сполукою на декілька простих діаграм, в яких хімічна сполука виступає як другий компонент.
Рис 5. Діаграма стану сплаву обмежений твердий розчин з перитектикою.
В залежності від кількості хімічних сполук, що можуть утворюватись діаграма може розділятися на декілька діаграм твердих розчинів або механічних сумішей в залежності від процесу взаємодії хімічних сполук з компонентами А і В. Розглянемо структури, що утворюються на прикладі діаграми стану, зображеної на рис 4.6.
Компонент А утворює з хімічною сполукою АxВy механічну суміш, а компонент В - обмежений твердий розчин. Діаграма стану сплаву механічна суміш дає структури аналогічні рис.4.3 з урахуванням, що одним компонентом сплаву є компонент А, а другим – хімічна сполука АхВу. В другій частині діаграми - обмеженому твердому розчині будуть виділятись структури в вигляді не чистих компонентів, а твердих розчинів. Враховуючи, що тверді розчини позначають маленькими грецькими буквами, позначимо як g-твердий розчин на базі кристалічної гратки хімічної сполуки АхВу і, як звичайно, b - твердий розчин на основі кристалічної гратки компоненту В.
Рис. 6. Діаграма стану сплаву хімічна сполука.
Структури, що утворяться, будуть аналогічні структурам обмеженого твердого розчину з евтектикою (рис 4.4).
Ми розглядали перетворення, що відбувалися при охолоджені сплавів, які утворювали компоненти, що мають один тип кристалічної гратки в усьому температурному діапазоні існування сплавів. Проте досить багато металів мають декілька типів кристалічних граток в залежності від температури та тиску (явище поліморфізму або алотропізму.) При охолодженні таких сплавів, компоненти яких мають поліморфні форми в твердому стані проходять процеси аналогічні процесам кристалізації, тобто утворюються зародки нових кристалів з іншою кристалічною граткою, які ростуть, збільшуючись в розмірах поки не відбудеться повна перебудова типу кристалічної гратки. В залежності від типу сплавів, які можуть утворюватись різними поліморфними формами, діаграма стану зображується якби двома діаграмами накладеними одна на одну. Верхня частина зображує процеси первинної кристалізації, тобто утворення з рідини певного типу кристалів, а друга – процеси вторинної кристалізації, тобто перебудову в твердому стані кристалічних граток. Розглянемо деякі варіанти діаграм стану з поліморфними перетворюваннями.
Діаграма стану системи, коли компонент А має дві поліморфні форми Аa і Аb, причому низькотемпературна форма Аa ізоморфна компоненту В і утворює необмежений твердий розчин a, а високотемпературна модифікація Аb, утворює обмежений твердий розчин з перитектикою (рис. 7.а). Лінія ліквідусу даної діаграми абк, лінія солідус – алск.
Рис. 7. Діаграми стану сплавів з поліморфними перетвореннями.
В області алб з рідини починається виділення кристалів твердого розчину компоненту В в високотемпературній модифікації Аb (b), область адл – область існування b- твердого розчину. Нижче лінії дл починається перебудова кристалічної гратки в низькотемпературну модифікацію Аa і область длс буде складатись з двох типів кристалів твердих розчинів a і b. Нижче лінії дск буде однорідний a- твердий розчин.
Якщо ж кристали компоненту В будуть ізоморфні високотемпературній модифікації Аb, то діаграма буде мати вигляд зображений на рис. 7.б Після повного затвердівання рідини нижче лінії солідус агв отримаємо b - твердий розчин, при зниженні температури якого нижче лінії дз почнеться перебудова кристалічної гратки і появляться кристали a - твердого розчину. Лівіше кривої дк закінчиться перебудова кристалічної гратки в низькотемпературну модифікацію і буде область однорідного a - твердого розчину.
Якщо компоненти А і В мають по дві модифікації, причому Аa і Вa так як і Аb та Вb ізоморфні і утворюють необмежені тверді розчини, то діаграма має вигляд зображений на рис. 7.в.
Розглянемо систему, коли високотемпературні модифікації Аb,, Вb ізоморфні і утворюють необмежений b - твердий розчин, а низькотемпе-ратурні модифікації Аa і Вa утворюють обмежені g та d тверді розчини. (рис. 4.7.г). Крива ліквідус – абс, солідус – адс. Після повної кристалізації рідини отримуємо однорідний b - твердий розчин, з якого при знижені температури нижче лінії зкп почнуть виділятися кристали твердих розчинів g або d. Всі інші структури, що утворяться аналогічні структурам обмеженого твердого розчину з евтектикою, які приведені на рис. 4.
Властивості сплавів, як і тип діаграми визначаються структурами, що утворюються в процесі охолодження. Тому, очевидно, що повинен існува-ти зв’язок між типом діаграми та властивостями сплавів. Узагальнивши багаточисленні дослідження сплавів М.С. Курнаков сформулював правила, що встановлюють зв’язок між типом діаграми та властивостями, зображені на рис 8. Вверху зображені типи діаграм, а внизу залежності властивостей від концентрації компонентів.