Диаграммы состояния двойных сплавов

Л А  Б О Р А Т О Р Н А  Я   Р А Б О Т А   3

 

ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ  ДВОЙНЫХ СПЛАВОВ

 

Диаграмма состояния в графическом изображении описывает фазовый состав любого сплава данной системы в равновесном состоянии в зависимости от температуры и химического состава.

Диаграмма состояния  строится экспериментально, например, термическим методом. Дело в том, что любые превращения, происходящие в металле или сплаве, в том  числе такие как плавление  при нагревании, кристаллизация при  охлаждении, изменение кристаллического строения в твердом состоянии, сопровождаются тепловым эффектом – выделением тепла при охлаждении или поглощением его при нагревании.

Методика термического анализа заключается в том, что  чистый металл (например, свинец - Pb), а также данный металл с добавлением увеличивающейся доли второго металла изучаемой системы (свинец с добавлением последовательно 5, 10, 15, 20 и т.д. процентов сурьмы - Sb), расплавляют и затем охлаждают, контролируя через постоянные промежутки времени (τ) температуру образцов. Таким образом получают термические кривые охлаждения (рис. 3.1).

                  Рис. 3.1. Кривые охлаждения сплавов  системы Pb – Sb

 

Остановка (горизонтальный участок) на кривой охлаждения или замедление скорости охлаждения свидетельствуют  о протекании в сплаве фазового превращения того или иного типа. Точки на кривых охлаждения соответствующие остановке, а также началу  и концу замедления изменения температуры сплава называют критическими точками, а соответствующие температуры – критическими температурами.

На рис. 3.1а точка 1 соответствует началу кристаллизации, а 1' – окончанию кристаллизации Pb, которая и случае чистого металла идет при

 

12

постоянной температуре. В сплавах  ряда составов (рис. 3.1б,г) кристаллизация происходит в интервале температур (1 -2), а последующая остановка (2 -2' ) свидетельствует о протекании фазового превращения при постоянной температуре.

Рассмотрим термическую  кривую охлаждения сплава состава «a» (Pb + 10% Sb)  (см. рис. 3.2). При температуре а1 начинается процесс кристаллизации: из расплава (L) выделяются кристаллы свинца. При этом выделяется тепло и охлаждение сплава замедляется (уменьшается наклон кривой - участок 1-2 на рис. 3.1б). В точке а2 (246°С) из жидкости (расплава), к тому времени изменившей состав до 13% Sb, начинают выделяться одновременно кристаллы свинца и сурьмы в виде однородной механической смеси (эвтектики). Образование эвтектики, заканчивающее процесс кристаллизации сплава, происходит при постоянной температуре. Сплав (Pb+13%Sb) кристаллизуется с образованием только эвтектики и этот  процесс проходит также при постоянной температуре, чему соответствует горизонтальный участок 2-2' на рис 3.1в.

Кристаллизация сплава состава «b» (см. рис. 3.1г) протекает по той же схеме, что и сплава «а», с той лишь разницей, что из жидкости ниже температуры ликвидуса (точка b1) начинают выделяться кристаллы сурьмы, а не свинца, и расплав по мере охлаждения до начала эвтектического превращения не обогащается сурьмой, а обедняется до 13% Sb.

Диаграмма состояния  первого типа

 

Диаграммы состояния первого типа характеризуют случаи, когда компоненты, образующие сплав, неограниченно растворены взаимно в жидком состоянии и полностью нерастворимы в твердом состоянии.

Систему этого типа образуют, например, свинец и сурьма (рис. 3.2).

                                              Рис. 3.2. Диаграмма состояния Pb – Sb

 

13

Точки начала кристаллизации сплавов данной системы (точки 1 на рис. 3.1) образуют линию ликвидус (АВС на рис. 3.2). Точки завершения кристаллизации (точки 2) формируют линию солидус (DВЕ на рис. 3.2).

Точка В, соответствующая минимальной  температуре кристаллизации сплава, называется эвтектикой (от греческого слова «легкоплавкий»), а сплав с 13% Sb – эвтектическим. Его структура в твердом состоянии представляет собой однородную механическую смесь кристаллов свинца и сурьмы.

Сплавы системы Pb – Sb подразделяют на три группы: доэвтектические (Sb менее 13%), которые ниже температуры солидус состоят кристаллов свинца и эвтектики; эвтектические (13% Sb) и заэвтектические (более 13% Sb), которые состоят из кристаллов сурьмы и эвтектики.

Правило отрезков. Пользуясь диаграммой состояния (рис. 3.2) для любого сплава данной системы, при любой температуре можно определить:

- фазовый состав;

- химический состав фаз;

- процентное соотношение фаз.

Рассмотрим, в качестве примера, сплав  состава «b» (Pb+40%Sb). Через точку b1 , соответствующую интересующей температуре (Т), проведем параллельную оси концентраций линию до пересечения с основными линиями диаграммы в точках m и n. Эти точки указывают фазовый состав сплава в точке b1 - жидкость и сурьма (L + Sb). Если из точек m и n опустить перпендикуляры на ось концентраций, то получим возможность определить химический состав жидкости – 20% Sb. Количественное соотношение фаз определим из соотношений длин отрезков:

 

    %L = ( b1 n / m n ) ∙ 100;             %Sb = ( m b1 / m n ) ∙ 100.       (3.1)

 

Из формул (3.1) видно, что  объемная доля расплава (L) по мере охлаждения уменьшается (увеличивается длина отрезка mn), достигая минимальной величины в точке В и превращаясь в эвтектику. Объемная доля кристаллов сурьмы при этом увеличивается (увеличивается длина отрезка mb1) от нуля до максимального на линии эвтектического превращения.

При комнатной температуре (точка b3) сплав состоит из двух фаз – Pb и Sb, а количество структурных составляющих (эвтектики и сурьмы) определяется из соотношения длин отрезков:

 

    %Э = ( b3 d / p d ) ∙ 100;               %Sb = ( p b3 / p d ) ∙ 100.         (3.2)

 

14

 

Ликвация. При некоторых условиях кристаллизации и охлаждения отливки из сплавов системы Pb – Sb могут получаться неоднородными. Неоднородность по химическому составу называется ликвацией.

Ликвация проявляется  в том, что при очень медленном  охлаждении доэвтектических сплавов  кристаллы свинца оседают на дно, так как они тяжелее расплава, а в заэвтектических сплавах выделяющиеся при кристаллизации кристаллы сурьмы, напротив, будут всплывать.

Неоднородность сплавов  данного типа называется ликвацией по удельному весу.

Сплав Pb – Sb применяется в качестве закалочной среды; в полиграфии – для изготовления шрифта.

 

Диаграмма состояния  второго типа

 

Диаграммы состояния  второго типа характеризуют случаи, когда компоненты, образующие сплав, растворены взаимно неограниченно, как в жидком, так и в твердом состоянии.

Такую систему, например, образуют медь и никель (рис. 3.3).

 

 

      Рис. 3.3. Диаграмма состояния Cu – Ni (а) и элементарная

                      ячейка сплава (твердый раствор  замещения, ГЦК)

 

Чистые металлы, как  медь, так и никель, имеют кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку (ГЦК). Сплавы системы Cu – Ni имеют ту же кристаллическую решетку, но в узлах решетки сплава находятся и атомы (ионы) меди и атомы никеля. То есть атомы растворяемого металла, частично замещают атомы металла – растворителя, образуя, так называемый твердый раствор замещения ( в данном случае a- фаза).

15

Химический состав расплава (L) и a-фазы при температуре t соответствует проекциям точек m и n соответственно на ось концентраций. Правило отрезков позволяет найти процентное содержание фаз в точке «а» из соотношения отрезков:

 

      %L = ( a n / m n ) ∙ 100;               % a = ( a m / m n ) · 100.      (3.3)

 

По мере понижения  температуры доля расплава (L) уменьшается (длина отрезка «an» сокращается), а доля α-фазы увеличивается (длина отрезка «am» растет).

Ликвация. Ликвация в сплавах данного типа имеет иной характер.

Рассмотрим процесс  кристаллизации сплава состава «а». В точке а   образуется устойчивый зародыш a-фазы, имеющий химический состав n1.    Этот зародыш растет при понижении температуры от t1 до t2 так, что поверхностные слои его будут иметь химический состав n2. Неоднородность образующегося кристалла по химическому составу называется внутрикристаллитной ликвацией.

Кристалл, начинающий образовываться при температуре t2, сначала будет иметь состав n2, а при температуре t3 его поверхность будет иметь состав n3. Неоднородность кристаллов по химическому составу называется межкристаллитной ликвацией.

Реальные сплавы системы Cu – Ni  нашли широкое применение. Например, сплав «мельхиор» (Ni + 20%Cu) применяется для изготовления монет, художественных изделий, столовых приборов и др.

   

Диаграмма состояния  третьего типа

 

Диаграммы состояния  третьего типа характеризуют случаи, когда оба компонента образуют твердые растворы замещения с ограниченной растворимостью (a - и b - фазы).

На рис. 3.4 представлена левая половина диаграммы состояния Al – Cu.

Точка Д характеризует  максимальную растворимость (5,7%) меди в алюминии, которая наблюдается при температуре 548º С. При комнатной температуре в равновесных условиях алюминий может растворить медь в количестве только 0,5% (точка F).

Любой сплав, содержащий до 5,7% Cu, соответствующим нагревом можно перевести в однофазное состояние - a- твердый раствор замещения меди в алюминии с ГЦК решеткой. Это  состояние  можно  зафиксировать быстрым охлаждением. Например, если сплав, содержащий 3% Cu нагреть до температуры 550º С (точка Q на рис. 4), а затем резко охладить, то вся медь останется в решетке - a- твердого раствора. Такой твердый раствор называется переохлажденным  или пересыщенным. Полученное состояние

 

16

неустойчиво, поэтому  в твердом растворе идут изменения, приводящие к выделению из a - фазы частиц CuAl2    (интерметаллидное соединение). Этот процесс в сплавах Al – Cu идет при комнатной температуре и называется естественным старением. Повышение температуры активизирует процесс выделения интерметаллидных частиц, что составляет суть искусственного старения.

 

                   

                        Рис. 3.4. Диаграмма состояния Al - Cu

 

Правило отрезков в полной мере применимо  к диаграммам данного типа по аналогии с предыдущими случаями.

 

ЗАДАНИЕ

 

1.   Изучить и освоить теоретическую  часть.

2. Изучить микроструктуру  нескольких образцов сплавов по заданной диаграмме состояния.

3.   Определить объемную долю  фаз и структурных составляющих.

4.   Описать явление ликвации  в данном сплаве.