производство и поставка оборудования для механических испытаний, неразрушающего контроля, химического анализа и визуального контроля, диагностического оборудования, приборов визуального контроля, систем контроля доступа персонала, элементов систем умного производства. Испытательная лаборатория. Сервисный центр

Глава 2.6 / 2.6.2. Диаграммы состояния сплавов

Общие сведения о диаграммах состояния. Диаграммы состояния представляют собой графическое изображение фазового состояния сплавов данной системы в зависимости от температуры и концентрации компонентов. Их строят для равновесного состояния, которое соответствует минимальному значению свободной энергии системы. Такое состояние достигается при малых скоростях охлаждения или нагрева.

Диаграммы состояния играют важную роль в теории и практике металловедения. С их помощью можно исследовать фазовые и структурные превращения сплавов, анализ диаграмм дает возможность предвидеть изменение свойств сплавов и назначить оптимальные режимы термической обработки.

Правило фаз. Состояние сплава зависит от внешних условий (температуры, давления) и характеризуется количеством образовавшихся фаз и их химическим составом. Возможность изменения внешних условий (температуры, давления) без изменения числа фаз, находящихся в равновесии, называется вариантностью, или числом степеней свободы системы. Правило фаз определяет взаимосвязь между числом степеней свободы, компонентов и фаз, находящихся в равновесии:

С = К + 2 – Ф,

где С — число степеней свободы; К — число компонентов; 2 — число внешних факторов (температура, давление); Ф — число фаз, находящихся в равновесии.

В металлических сплавах давление мало влияет на фазовое состояние, поэтому приведенное уравнение окончательно принимает следующий вид:

С = К + 1 – Ф

Диаграммы состояния сплавов строят в координатах температура — концентрация компонентов. Температуру откладывают по оси ординат, а концентрацию компонентов — по оси абсцисс. Причем слева направо увеличивается количество компонента В, а справа налево — компонента А. Таким образом, в начале координат находится чистый компонент А (абсцисса равна нулю — содержание компонента В = 0 %), при значении абсциссы, равному 100 %, имеем чистый компоненте (рис. 2.19). Общее содержание компонентов в сплаве равно 100 %, каждая точка на оси абсцисс соответствует определенному содержанию обоих компонентов. Например, точка С характеризует сплав, в котором содержится 40 % компонента В и 60 % компонента А, а точка D — сплав, в котором 60% компонента В и 40% компонента А (см. рис. 2.19).

Для построения диаграмм состояния используют экспериментальные данные, на основе которых строят кривые охлаждения серии сплавов, состоящих из одних и тех же компонентов, но имеющих неодинаковый химический состав. С помощью кривых охлаждения определяют критические точки сплава — это температуры, при которых происходят фазовые превращения в сплавах. На кривых охлаждения сплавов они выявляются в виде перегибов или площадок, свидетельствующих об изменении темпов охлаждения, что связано с выделением скрытой теплоты кристаллизации.

Для получения кривых охлаждения используют метод термического анализа. Сплав известного состава или чистый металл нагревают до температуры плавления в тигле, помещенном в печь. Затем электропитание печи отключают, и металл начинает остывать вместе с печью. Охлаждение сплава должно быть медленным, чтобы обеспечить его равновесное состояние при всех температурах. В процессе охлаждения через равные промежутки времени фиксируют значения температуры, по которым строят кривую охлаждения в координатах время т — температура t. Температуру определяют с помощью термопары, соединенной с чувствительным гальванометром, шкала которого проградуирована в градусах (рис. 2.20).

Рис. 2.19. Система координат (ось абсцисс) для построения диаграммы состояния двухкомпонентных сплавов

Рис. 2.20. Схема установки для термического анализа:

1 — печь; 2 — жидкий металл; 3 — тигель; 4 — горячий спай термопары; 5 — термопара; 6 — защитный колпачок; 7 — холодный спай термопары; 8 — гальванометр

Рассмотрим простейшие диаграммы состояния, компоненты которых образуют смеси, твердые растворы и химические соединения.

Диаграмма состояния сплавов типа смесь. Приведем построение этой диаграммы на примере системы свинец — сурьма (РЬ — Sb). Кривые охлаждения компонентов и сплавов представлены на рис. 2.21. Критические точки для чистых металлов и сплавов приведены в табл. 2.1.

На основании анализа кривых охлаждения (см. рис. 2.21 и табл. 2.1) построим диаграмму состояния системы РЬ и Sb (рис. 2.22, о). Линия диаграммы АВС, выше которой существует только жидкая фаза (Ж), называется линией ликвидус. Линия диаграммы DBE, ниже которой существует только твердая фаза, называется линией солидус.

Чистые металлы свинец и сурьма кристаллизуются при постоянной температуре. Это соответствует правилу фаз. Действительно, число компонентов К равно единице (чистый металл), количество фаз Ф при кристаллизации две — жидкая и твердая, при этом число степеней свободы С равно нулю: С=К-Ф+1 = 1- 2+1=0. Это означает, что кристаллизация должна проходить при постоянной температуре.

Рис. 2.21. Кривые охлаждения сплавов системы РЬ — Sb

Рис. 2.22. Диаграмма состояния системы РЬ — Sb: а — структурная; 6 — фазовая

Кристаллизация всех сплавов, кроме одного (87 % Рb, 13 % Sb) протекает в интервале температур. При этом К - 2 (Рb и Sb), Ф = 2 (жидкая и твердая фазы), т.е. С = 1 — возможно изменение температуры без изменения фазового состава.

Особое положение занимает упомянутый выше сплав (87 % Рb, 13% Sb), который так же, как чистые металлы, кристаллизуется при постоянной температуре, т.е. С = 0. При К - 2 это возможно только в том случае, если Ф = 3, тогда С= 2 - 3 + 1 = 0. Это означает, что при кристаллизации этого сплава одновременно существуют три фазы (жидкость, свинец и сурьма), т. е. из жидкости одновременно выделяются оба компонента, образуя смесь.

Этот наиболее легкоплавкий сплав системы называется эвтектическим. Структура, полученная при кристаллизации этого сплава, называется эвтектикой (Э). Кристаллизацию эвтектического сплава можно описать следующим образом: Ж → Э [Рb + Sb]. Следовательно, эвтектика состоит из двух фаз: свинца и сурьмы.

Сплавы, расположенные слева от эвтектического, называются доэвтектическими, а расположенные справа — заэвтектическими. Первичная кристаллизация таких сплавов начинается с выделения избыточной фазы. Избыточной называется та фаза, содержание которой в сплаве больше, чем в сплаве эвтектического состава. Таким образом, у доэвтектических сплавов избыточной фазой будет свинец (его содержание в них больше 87 %), а у заэвтектических — сурьма (ее содержание в этих сплавах превышает 13 %).

Первичная кристаллизация доэвтектических сплавов начинается с выделения свинца, заэвтектических — с выделения сурьмы, т.е. избыточной фазы. По мере выделения избыточной фазы состав жидкости меняется. У доэвтектических сплавов в ней увеличивается количество сурьмы за счет выделения из жидкости свинца, у заэвтектических, наоборот, увеличивается количество свинца. По мере охлаждения состав жидкости, таким образом, стремится к эвтектическому. При температуре 246°С происходит окончательное затвердевание всех сплавов (см. табл. 2.1). При этой температуре состав жидкости любого сплава соответствует эвтектическому и оставшаяся жидкость затвердевает по эвтектическому механизму.

Таким образом, структура доэвтектических сплавов в системе Рb — Sb состоит из кристаллов свинца и эвтектики Рb + Э[Рb + Sb], а заэвтектических сплавов — из кристаллов сурьмы и эвтектики Sb + Э[Рb + Sb] (рис. 2.23), что и показано на диаграмме состояния (см. рис. 2.22, а). Диаграмма, на которой указаны структуры сплавов, называется структурной. Диаграмма, на которой указаны только фазы без описания структур, называется фазовой (рис. 2.22, б).

Диаграммы состояния позволяют выполнить анализ состояния сплавов, а именно определить их фазовый состав, массу и химический состав каждой фазы (т.е. содержание в них компонентов). Это выполняется по-разному в однофазных и двухфазных областях диаграммы.

Рис. 2.23. Структуры доэвтектического (а), эвтектического (б) и заэвтектического (е) сплавов системы Pb— Sb

В однофазной области масса фазы равна массе сплава, а ее химический состав соответствует составу сплава (см. рис. 2.22, б). Так, при температуре сплав I находится в жидком состоянии, т.е. имеет однофазную структуру. Состав и жидкости, и сплава определяется проекцией точки а на ось концентраций (72 % Sb и 28 % Рb).

Подобным приемом нельзя пользоваться при анализе состояния сплавов в двухфазных областях. Это связано с тем, что при изменении температуры химический состав фаз и их масса не остаются постоянными. Так, например, в процессе кристаллизации доэвтектических сплавов системы Pb — Sb при понижении температуры от линии ликвидус до линии солидус меняется химический состав жидкости: в ней увеличивается количество сурьмы за счет выделения из жидкости свинца, при этом масса жидкости уменьшается, а твердой фазы увеличивается (суммарная масса фаз остается постоянной, равной массе сплава).

Анализ состояния сплавов выполняют следующим образом (см. рис. 2.22, б). Через точку Ь, характеризующую положение сплава на диаграмме, проводят горизонталь — коноду — до пересечения с линиями диаграммы, ограничивающими двухфазную область, в которой лежит заданная точка. Точка с — пересечение коноды с границей однофазной области существования жидкой фазы; точка d — пересечение коноды с границей существования твердой фазы.

Фазовый состав става при данной температуре (точка b) определяется фазами тех однофазных областей, с которыми пересекается конода. В данном случае фазовый состав сплава — это жидкость (точка с) и сурьма (точка d).

Химический состав фаз соответствует проекциям точек пересечения коноды и линий диаграммы состояния на ось концентраций. Каждая проекция показывает состав той фазы, с которой граничит точка пересечения. Так, проекция точки с определяет концентрацию компонентов в жидкой фазе (44 % Sb и 56 % РЬ), а проекция точки d — концентрацию компонентов в твердой фазе (это чистый компонент Sb). Таким образом, линия ликвидус является линией насыщения — она показывает предельную растворимость компонентов в жидкости при данной температуре.

Для определения массы фаз пользуются правилом рычага. В любой точке, т.е. при любой температуре, общая масса сплава соответствует длине коноды — отрезку cd. Количество соответствующей фазы определяется противолежащим отрезком: масса жидкости — отрезком bd, а твердой фазы — отрезком cb.

Для сплавов типа смеси характерна ликвация по плотности. Ликвация — это неравномерное распределение химического состава по объему сплава. В процессе кристаллизации из жидкости выделяются кристаллы с плотностью, отличной от плотности жидкости. Это приводит к тому, что кристаллы либо всплывают, если их плотность меньше плотности жидкости, либо оседают на дно, если их плотность превышает плотность жидкости. В результате слиток получается неоднородным по составу и свойствам. Для предупреждения этого в процессе кристаллизации сплавы интенсивно перемешивают.

Диаграммы состояния сплавов типа твердый раствор. При неограниченной взаимной растворимости компонентов они образуют твердый раствор α. Диаграмма состояния сплавов такого типа имеет вид, показанный на рис. 2.24. Кристаллизация компонентов (чистых металлов) происходит при постоянной температуре (С = 0, как было показано выше). В процессе кристаллизации сплавы имеют одну степень свободы (можно менять температуру без изменения фазового состава). Действительно, структура состоит из двух фаз: жидкости (Ж) и твердого раствора (α). Таким образом, Ф = 2 (Ж и α), К = 2 (компоненты А и В) и в соответствии с правилом фаз С = 2 – 2 + 1 = 1. Это означает, что кристаллизация происходит в интервале температур, а именно между линиями ликвидус (верхняя кривая) и солидус (нижняя кривая).

Рис. 2.24. Диаграмма состояния твердого раствора с неограниченной растворимостью компонентов

В процессе кристаллизации из жидкости выделяются кристаллы твердого раствора а, состав которых соответствует проекциям точек на ось абсцисс. Состав жидкости при этом также меняется и соответствует проекциям точек а{, а2 на ось абсцисс. Это означает, что состав твердого раствора меняется по линии солидус, а состав жидкости — по линии ликвидус.

Для сплавов этого типа характерна внутрикристаллитная (внутризеренная) ликвация, проявляющаяся в пределах одного зерна. Центры кристаллизации, образованные на первых стадиях, содержат большее количество тугоплавкого компонента В (компонента с более высокой температурой плавления). В составе следующих слоев, присоединяющихся к выделившемуся центру при понижении температуры, количество этого компонента уменьшается (например, от проекции точки bх к проекции точки b2). Внутризеренная ликвация может быть уменьшена за счет диффузионных процессов, которые происходят во время продолжительной выдержки сплава при высоких температурах после его затвердевания.

Ограниченная растворимость компонентов в металлических сплавах встречается гораздо чаще, чем неограниченная. На диаграмме состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов (рис. 2.25) линия АЕВ — линия ликвидус, линия ADCB — линия солидус. В этой системе образуются фазы, представляющие собой твердые растворы: α (В в А) и β (А в В). Предельная растворимость в твердом состоянии определяется линиями: DF (В в А) и CG(А в В). Процессы кристаллизации сплавов, находящихся на диаграмме левее точки F и правее точки G, такие же, как у сплавов, компоненты которых образуют твердые растворы с неограниченной растворимостью. Эти сплавы имеют однофазную структуру.

Рис. 2.25. Диаграмма состояния твердого раствора с ограниченной растворимостью компонентов

Кристаллизация сплавов, расположенных на диаграмме в интервалах от точки F до проекции точки D и от точки G до проекции точки C, отличается от рассмотренной ранее. Рассмотрим процесс кристаллизации одного из сплавов, принадлежащего названным областям (сплав I). Выше точки 1 сплав находится в жидком состоянии. В точке I начинается кристаллизация сплава с выделения из жидкости кристаллов a-твердого раствора. По мере понижения температуры от точки 1 до точки 2 концентрация компонентов в жидкой фазе изменяется по линии I — b, а в α-твердом растворе — по линии а — 2; количество жидкой фазы при этом уменьшается, а твердой возрастает. В точке 2 кристаллизация сплава заканчивается, структура сплава ниже этой точки состоит только из зерен α-твердого раствора, концентрация компонентов в котором такая же, как в сплаве (т.е. химические составы сплава и a-твердого раствора совпадают). До точки 3 превращений не происходит, продолжается охлаждение сплава, находящегося в твердом состоянии. Ниже точки 3 из α-твердого раствора начинают выделяться кристаллы β-твердого раствора, которые укрупняются по мере охлаждения сплава. Процесс выделения β-фазы объясняется тем, что при понижении температуры растворимость (концентрация) компонента. В в α-твердом растворе уменьшается, на что указывает линия DF. Она составляет примерно 17 % при температуре, соответствующей точке 3, — это предельная растворимость при данной температуре (конода d — 3), и менее 10 % после окончательного охлаждения (конода G — F, совпадающая с осью концентраций). Избыток компонента В выделятся виде β-фазы. Структура таких сплавов после окончательного охлаждения состоит из двух фаз: α + βll. Кристаллы β-твердого раствора, выделяющиеся из α-твердого раствора, называются вторичными и обозначаются βll в отличие от кристаллов, выделяющихся из жидкости, которые называются первичными. Аналогичные процессы будут происходить при кристаллизации сплавов, расположенных на диаграмме состояния в интервале от точки G до проекции точки Е, но здесь вторичными будут кристаллы α-фазы — αll, а структура этих сплавов — β + αll.

Кристаллизация сплавов, расположенных на диаграмме состояния в интервале DE (например, сплава II), происходит с образованием эвтектики аналогично рассмотренной системе свинец — сурьма. Отличие заключается в том, что в данной системе эвтектика состоит из смеси твердых растворов а и р, а не чистых компонентов. На линии DE происходит эвтектическое превращение: Ж Э [α + β].

Сплав состава 45 % А и 55 % В (линия его охлаждения проходит через точку Е) является эвтектическим, его структура — эвтектика Э[α + βj. Структура доэвтектических сплавов — α+ Э + βll, заэвтектических — β + Э + αll.

Диаграммы состояния сплавов с химическим соединением. Диаграмму состояния с химическим соединением можно разделить на две части (рис. 2.26). На одной части диаграммы будут присутствовать сплавы, образованные компонентом А и химическим соединением АmВn, а на другой — химическим соединением АmВn и компонентом В. В этом случае химическое соединение выступает в роли одного из компонентов. Каждая часть такой диаграммы представляет собой самостоятельную диаграмму состояния сплавов, компоненты которых образуют в твердом состоянии смеси. Превращения в этих сплавах рассмотрены выше. В практике возможно рассмотрение только части диаграммы состояния в пределах компонент — химическое соединение (А —AmB„). В таком виде изучается широко используемая диаграмма состояния железо — углерод, а именно в пределах Fe — Fe3C, где Fe3C — химическое соединение, карбид железа.

С 2011 года научно-производственное предприятие «УКРИНТЕХ» успешно работает и развивается в области контроля качества материалов и изделий.

Контакты

ООО НПП "Укринтех":
г. Харьков, ул.Ковтуна, д.50, корпус "А-5"

Для почты:
а/я 2304, Харьков-1, 61001, Украина

ООО НПП "Укринтех"
+38 (050) 499-09-89; +38 (067) 560-89-39
+38 (067) 575-45-10; +38 (057) 768-09-02

"ЦНИ Лаборатория"
+38 (098) 262-48-92

Компания

Производство и поставка
испытательного оборудования, оборудования для металлографии, приборов НК и др.

Сервисный центр
Ремонт, сервисное обслуживание и модернизация оборудования.

Центр независимых исследований
Аккредитованная испытательная лаборатория.