Построение кривых охлаждения сплавов

Теория

Сплав - это вещество, полученное сплавлением нескольких химических элементов (в на­шем случае - двух).

Химические элементы, оставляющие сплав, называются его компонентами. В общем виде будем их обозначать А и В.

Для одних и тех же компонентов множество сплавов, отличающихся только концентрацией компонентов, составляют систему сплавов, которую принято именовать по перечню компо­нентов. Например, сплавы системы А - В - это множество сплавов из компонентов А и В, отли­чающихся содержанием А и В. Поскольку в двойных сплавах суммарная концентрация компонен­тов составляет 100%:

%А + %В= 100%,

то любой конкретный сплав системы А - В принято указывать содержанием в нем компонента В (например: сплав, содержащий 10% В).

Внутри сплава его компоненты распределены в общем случае неравномерно (сплав - не про­сто смесь компонентов), они находятся внутри различных структурных и фазовых составляющих. Свойства сплава полностью определяются его внутренними составляющими (фазовым составом, структурой), которые можно определить путем анализа диаграммы состояний.

Диаграмма состояния сплавов системы А - В - это графическое изображение воз­можных фазовых и структурных состояний любых сплавов системы А - В при любых температу­рах. Диаграммы состояний изображаются в координатах: температура - хим. состав сплава. В на­шем случае хим. состав любого сплава однозначно задается указанием содержания в нем компо­нента В. Таким образом, координаты диаграммы состояний: температура сплава - содержание в нем компонента В.

Вид диаграммы состояния полностью определяется характером физико-химического взаимодействия его компонентов между собой. Будем в дальнейшем рассматривать лишь такие сплавы, которые могут быть полностью расплавлены. Тогда можно считать, что при достаточно высоких температурах любые сплавы представляют собой однородный жидкий раствор компонен­тов, который на всех диаграммах будем обозначать через L (жидкость).

В твердом состоянии компоненты внутри сплава могут в общем случае взаимодействовать следующим образом:

1)химически реагировать друг с другом с образованием нового вещества – химического соединения A_mB_n:

А + В = A_mB_n;

2)растворяться в кристаллической решетке друг друга полностью либо частично, при этом образуются твёрдые растворы (например, твердый раствор А в В);

3)образовывать легкоплавкую механическую смесь, которая называется эвтектикой.
Важнейшими элементами внутреннего строения любых сплавов являются его фазовые составляющие (или короче - фазы).

Фаза - это однородная (иногда - очень малая по размерам) часть сплава, отделенная от других частей границей раздела, при переходе которой наблюдается скачок физико-механических свойств вещества.

В соответствии с этим определением в общем случае фазами в сплавах могут быть:

1)компоненты А, В;

2)жидкий раствор компонентов - жидкость L;

3)твердые растворы компонентов друг в друге - а, β.

4)химические соединения A_mB_n.

Следует, обратить внимание, что механическая смесь неоднородна, следовательно, эвтектика - не фаза! (Это смесь нескольких фаз).

Каждой фазе, существование которой возможно в сплавах системы А - В, на диаграмме со­стояний этой системы соответствует однофазная область, то есть область температур и составов, при которых фаза способна существовать с присущими ей физическими свойствами.

При проведении анализа диаграммы состояний необходимо сначала по характерным линиям диаграммы определить вид взаимодействия компонентов в сплавах данной системы, затем выя­вить однофазные области на диаграмме. После этого с помощью правила отрезков (см. ниже) оп­ределить фазовый состав сплавов в остальных (двухфазных) областях диаграммы состояний и, на конец, построением кривых охлаждения для конкретных сплавов системы определить возможные структуры сплавов в охлажденном состоянии.

 

Правило отрезков

Правило отрезков служит для определения:

1)фазового состава сплава в заданной точке диаграммы состояния;

2)химического состава фаз, имеющихся в сплаве;

3)весовой доли каждой фазы

С этой целью, вначале из заданной точки на диаграмме состояния необходимо провести от­резок горизонтали влево и вправо до пересечения с границами ближайших однофазных областей, а затем на этом отрезке необходимо определить все точки его контакта (т.е. пересечения и касания) с однофазными областями (рис. 1).

0 c^' l^' 100

Рис. 1. Применение правила отрезков при анализе диаграмм состояний.

Примеры:

1.Задана т. а, проведен отрезок bac, определены точки b и с.

2.Задана т. d, проведен отрезок fde, отмечены точки f и е.

3.Задана т. q, проведен отрезок hiqk, отмечены точки h, i, k.

В дальнейшем, по определенным (отмеченным) точкам пересечения и касания с однофазны­ми областями можно для заданной начальной точки определить фазовый состав сплава, химиче­ский состав фаз в сплаве и весовую долю каждой фазы.

1)Фазовый состав сплава определяется по принадлежности каждой отмеченной точки к однофазной области

В примере 1: т. b указывает фазу А, т. с - фазу L, т.е. в заданной точке а сплав имеет фазовый состав A+L.

В примере 2: в заданной т. d фазовый состав сплава: А+В.

В примере 3: заданной т. q фазовый состав сплава: A+B+L.

2)Химический состав фаз определяется по проекциям отмеченных точек на ось концентраций.

В примере 1: в фазе А (т. b cодержится 0% В, в фазе L (т. с) - с'% В.

В примере 2: в фазе А (т. О - 0% В, в фазе В (т. е) - 100% В.

В примере 3: в А (т. h) - 0% В, в L (т. i) - \' % В, в В (т. к) - 100% В.

3)Весовую долю фазы- определяют по правилу рычага, как отношение противолежащей фазе части отрезка ко всей его длине

В примере 1: Q _А= Q_L=

В примере 2: Q_A = 100%, Q_B = 100%.

 

Замечание: при наличии в сплаве более двух фаз применять правило рычага не следует.

Помимо определения фазового состава сплава, с помощью правила отрезков можно опреде­лить и структурный состав. В этом случае отрезок горизонтали необходимо проводить до пересе­чения с границами областей структурных составляющих. Например, если задана т. l (рис.2), то проводим отрезок nlm, и отмеченные точки n и m указывают, что в заданной точке l сплав имеет структуру: эвт (А+В)+ кристаллы В; в эвтектике содержится n^' % B (проекция т. n); в кристаллах B-100%В (проекция т. m);

100% В (проекция т. т); весовая доля эвтектики в структурном сплаве

 

Q_эвт=

 

Доля кристаллов В в структуре сплава

Q_{B= 100%}

Правило фаз (правило Гиббса)

 

В данной работе это правило используется, в основном, для контроля хода кривых охлажде­ния сплавов. Правило имеет вид:

С = К-Ф+ 1,

где К - число компонентов в сплаве;

Ф - число фаз в рассматриваемом состоянии сплава;

С - число степеней свободы сплава, в нашем простейшем случае анализа - это число возможно­стей у сплава уменьшить свою температуру при отводе от него тепла.

Если С>0 (т.е. С = 1 или 2), то температура сплава будет монотонно понижаться при отводе тепла от сплава. Если в некоторой точке происходит изменение от С = 1 к С = 2 или наоборот, то изменяется скорость снижения температуры сплава, т.е. в этих точках на кривой охлаждения бу­дут изломы.

Если С = 0, то несмотря на отвод тепла от сплава, его температура будет оставаться постоян­ной до тех пор, пока не завершится какой-то процесс внутри сплава, благодаря чему в нем умень­шится число фаз и окажется C>0. На кривой охлаждения сплава этому процессу будет соответст­вовать горизонтальный участок.

Построение кривых охлаждения сплавов

Рассмотрим в качестве примера построение кривой охлаждения для сплава эвтектического типа (рис.2).

 

Рис.2.Пример построения кривой охлаждения

На вертикальном разрезе I диаграммы состояний, проходящем через точку а, произвольно выбираем начальную точку в области L и затем последовательно нумеруем критические точки сплава, т.е. точки 1, 2 пересечения разреза I с линиями диаграммы. Проводим оси координат: тем­пература Т - время т, в которых будет построена кривая охлаждения; проектируем на них уровни температур в критических точках.

Начальный участок кривой охлаждения (выше т. 1). Для любой точки этого участка фазовый состав сплава: L, так как этот участок находится в однофазной области диаграммы. Следовательно, число фаз в сплаве Ф = 1, и по правилу фаз, число степеней свобода сплава С = 2. Следовательно, при отводе тепла температура сплава монотонно понижается и этот участок кривой охлаждения изобразится плавной падающей линией: возле этого участка на кривой охлаждения указываем фа­зовый состав и число степеней свободы сплава: L, С = 2.

Участок 1-2. Для любой точки b на этом участке по правилу отрезков устанавливаем фазо­вый состав сплава: L (т. е) + А (т. d), следовательно, Ф = 2 и по правилу фаз С = 1. Значит, этот участок кривой охлаждения, как и предыдущий, будет изображаться плавной линией, возле кото­рого следует указать: L + А, С = 1. В точке 1 кривой охлаждения будет излом, т.к. здесь изменяет­ся число степеней свободы сплава от С = 2 к С = 1.

Перемещая т. b от т. 1 к т. 2 и определяя весовую долю твердых кристаллов А

(Q_A = 100%) и химический состав жидкости в сплаве (е^' % В), можно легко установить, что на этом участке кривой охлаждения, начиная от т. 1, происходит выделение из жидкости твердых кристаллов А, а содержание компонента В в остающейся жидкости в сплаве постепенно увеличи­вается от а % В в т. 1 к значению с' % В для т. 2, т.е. из жидкости выделяются кристаллы компо­нента, избыточного по отношению к эвтектическому составу. В конце участка 1-2 сплав будет со­стоять из кристаллов А и оставшейся жидкости эвтектического состава.

Участок 2-2^'. В точке 2 на диаграмме состояния по правилу отрезков легко установить, что в сплаве в равновесии находятся три фазы: А (т. F), Цт. С) и В (т. G), причем L=L_3BT(C^{/ 0}/o В). Таким образом, по правилу фаз, Ф=3 и С=0. Следовательно, при температуре критической точки 2 на кривой охлаждения будет горизонтальный участок 2 -2^' с постоянной температурой сплава. При­роду процесса, происходящего внутри сплава на этом участке, выясним следующим образом. Как видно из диаграммы состояния, ниже т. 2 (то есть, ниже уровня температуры линии FCG) невозможно существование в сплаве жидкой фазы L. Поэтому ясно, что на участке 2 -2^' с одной сто­роны, должна "исчезать" фаза L_3BT, с другой стороны, поскольку в конце процесса должно быть С =1 (чтобы сплав смог далее снижать свою температуру), то эта фаза должна превращаться в смесь двух других:

L_эвт>эвт(А+В),

то есть на участке 2—2^/ в сплаве идет эвтектическое превращение.

Конечный участок кривой охлаждения (после т. 2^/). После окончания эвтектического пре­вращения в сплаве останутся две фазы: А и В, что легко проверяется правилом отрезков для лю­бой точки диаграммы на участке 2-а. Таким образом, Ф = 2 и С = 1, так что сплав монотонно сни­жает свою температуру до комнатной.

На этом участке необходимо указать конечную структуру сплава. В данном простом случае это можно сделать по правилу отрезков (для структурных составляющих) на участке 2-а диаграм­мы.

В более общем случае конечную структуру устанавливают по совокупности твердых кри­сталлов, выделившихся на разных участках кривой охлаждения, и не подвергавшихся после этого внутренним изменением. В нашем случае структуру сплава образуют кристаллы А, выделившиеся на участке 1 - 2, и кристаллы эвтектики, образовавшиеся на участке 2 -2^': А+эвт(А+В).