Анализ диаграмм двухкомпонентных систем

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
Калужский филиал
Е.В.Акулиничев
Анализ диаграмм двухкомпонентных сплавов.
Методическое указание к лабораторным работам по курсу
«Материаловедение»
Под редакцией проф. Лебедева В.В.
Калуга 2001 г.
Лабораторная работа № 4.
Анализ диаграмм двухкомпонентных сплавов.
Задание и порядок выполнения работы:
Прежде чем приступать к выполнению работы, необходимо четко усвоить понятия о
компонентах, фазах и структурных составляющих сплавов, познакомиться с типовыми
диаграммами двухкомпонентных сплавов. Далее работать по следующему плану.
1. Определить и записать в отчет компоненты заданной диаграммы.
2. Определить тип заданной диаграммы, дать ее характеристику, указав характер
взаимодействия заданных компонентов (отсутствует или имеется растворимость компонентов
в твердом состоянии, ограничена их растворимость или неограниченна, постоянна или
переменна, образуют ли компоненты химические соединения).
3. Дать буквенные обозначения всем точкам и линиям, обозначить фазовый состав в
каждой области заданной диаграммы, выписать в отчет все присутствующие в сплавах фазы.
4. Письменно дать характеристику каждой фазы, описав при этом:
а) что представляет собой жидкая фаза;
б) для кристаллов чистых компонентов указать их температуры плавления и поли
морфных превращений (если таковые имеются);
в) для кристаллов химических соединений (промежуточных фаз) указать формулу,
химический состав, температуры плавления;
г) для кристаллов каждого из твердых растворов указать, что в чем растворено, тип
раствора (ограниченный или неограниченный), определить и записать в отчете предельные
концентрации твердых растворов и их изменения при изменении температуры:
5. Дать характеристику наиболее важных точек диаграммы таких как:
а) температура плавления чистых компонентов и химических соединений;
б) температура полиморфных превращений чистых компонентов;
в) эвтектические и эвтектоидные точки;
г) точки, характеризующие предельные концентрации твердых растворов и промежуточных фаз;
6. Дать характеристику важнейших линий диаграммы:
а) определить линии ликвидус и солидус (что они обозначают);
б) определить линии изотермических превращений (эвтектических, перитектических,
эвтектоидных). Написать схемы этих превращений, указав буквами составы участвующих
фаз;
в) определить линии полиморфных превращений и обозначить их схемы;
г) определить линии, характеризующие изменение концентраций твердых растворов
при изменении температуры;
7. Обозначить на диаграмме заданный сплав, проведя соответствующую его составу
ординату (лучше цветным карандашом или фломастером) обозначить и пронумеровать его
критические точки, построить в отчете кривую охлаждения в координатах "температура
- время", обозначить на ней схематично происходящие
превращения и
описать их в тексте.
8. Зарисовать и описать структуру заданного сплава при комнатной температуре.
Записать возможные варианты структур для других сплавов заданной диаграммы при
комнатной температуре.
9. Провести фазовый анализ заданного сплава при заданных температурах, определив
при этом:
а) концентрацию компонентов в каждой из присутствующих фаз;
б) относительное весовое количество присутствующих фаз; (с помощью правила
отрезков");
Результаты анализа оформить в виде таблицы по прилагаемой форме:
Состав
сплава
Таблица 1.
Темпера- Фазовый состав сплава и Относительное весовое колтура °С
химический состав фаз
во фаз
Значение диаграмм состояния.
Диаграмма состояния - это графическое изображение состояния сплавов в системе
координат ''температура - концентрация". Она показывает, как с изменением
температуры и химического состава изменяются структура, количество фаз и их
концентрация.
Умея анализировать диаграмму состояния, можно представить полную картину
кристаллизации сплава, процессы перекристаллизации сплава в твердом состоянии, а
также определить оптимальную температуру заливки, оценить его жидкотекучесть,
склонность к ликвации. Диаграмма позволяет установить виды и температурные
режимы термической обработки.
Основные понятия.
Вещества (элементы), образующие сплавы, называют компонентами. Их принято
обозначать в общем случае буквами А, В, С и т.д. В сплавах компоненты различно
взаимодействуют друг с другом в твердом состоянии, образуя те или иные фазы.
Фазой называют однородную по составу и атомно-кристаллическому строению часть
сплава.
При сплавлении двух компонентов могут образовываться твердые растворы, химические соединения и смеси.
Если атомы компонента В размещаются (растворяются) в кристаллической решетке
компонента А, не изменяя ее типа, то это будет твердый раствор - , а при
растворении компонента А в компоненте В - твердый раствор - . Растворимость
компонентов А и В может быть неограниченной и ограниченной. Если компоненты
образуют твердый ограниченный раствор, то его предельная концентрация как
правило изменяется с изменением температуры.
Химические соединения - это фазы, имеющие более сложную кристаллическую
решетку, чем сплавляемые компоненты. Они имеют постоянный химический состав,
отвечающий формуле Аm Вn.
Если в химическом соединении растворяется один из исходных компонентов А или В,
то соответствующие твердые растворы на базе химического соединения также как
обычные твердые растворы обозначают буквами греческого алфавита , , , . и т.д.
В сложных диаграммах образующиеся в системе химические соединения можно
условно рассматривать как самостоятельные компоненты для оценки характера
протекающих в сплавах превращений.
Рентгеновский анализ твердых растворов или химических соединений показывает
только один тип кристаллической решетки, и лишь спектральный или химический
анализы могут зафиксировать наличие двух компонентов.
При кристаллизации многих сплавов, образуются структуры, состоящие из нескольких фаз. Фазы, образующие эти структуры, обнаруживаются под микроскопом, а
рентгенограмма такого сплава показывает наличие разных кристаллических решеток. Такая
структура представляет собой смесь фаз. Сплавы с неоднородной (гетерогенной) структурой
могут образовываться, когда компоненты не обладают полной взаимной растворимостью в
твердом состоянии, образуя структуры, состоящие из:
а) насыщенного твердого раствора и избыточных кристаллов чистого компонента;
б) двух насыщенных твердых растворов;
в) насыщенного твердого раствора и кристаллов химического соединения.
Так, избыточные кристаллы чистого компонента или химического соединения часто
присутствуют в структуре сплавов, располагаясь в виде обособленных включений по
границам зерен твердого раствора или в объеме самих зерен.
В ряде случаев в процессе кристаллизации сплавов может образоваться смесь фаз
эвтектического и эвтектоидного состава. Они могут быть образованны кристаллами чистых
компонентов (при отсутствии взаимной растворимости), твердыми растворами или
химическими соединениями, а также различными комбинациями этих трех фаз.
Типовые диаграммы двойных систем и кривые охлаждения сплавов.
Диаграммы состояния характеризуют превращения, протекающие при медленном
охлаждении (нагревании) сплавов. В зависимости от состояния сплавов они протекают
различно. Следовательно, разные сплавы могут иметь разные по характеру кривые охлаждения, построенные в системе координат "температура - время".
На рис. 1 - 4 приведены основные типы диаграмм состояния и кривые охлаждения
сплавов.
Кристаллизация чистых металлов происходит при постоянной температуре с определенными тепловыми эффектами, вследствие чего на кривых охлаждения при температуре
затвердевания обнаруживается остановка (горизонтальный участок). На диаграммах
состояния кристаллизация чистых компонентов происходит при температурах, которым
соответствуют точки А и В на осях координат (рис. 1а). В двухкомпонентных системах
первичная кристаллизация может протекать при постоянной температуре только в сплавах
эвтектического состава (рис. 1а, сплав П). Кристаллизация всех остальных сплавов происходит в интервале температур. Так как образование кристаллов из жидкости идет с выделением тепла, то этому процессу соответствует замедление охлаждения сплава и изменение
наклона кривой охлаждения. Поэтому начало кристаллизации характеризуется перегибом на
кривой охлаждения.
В сплавах, компоненты которых не растворимы друг в друге в твердом состоянии,
сначала в интервале температур идет кристаллизация одного из чистых компонентов, избыточного по отношению к эвтектическому составу. Затем при постоянной температуре
кристаллизация заканчивается образованием из оставшейся жидкости эвтектической смеси
кристаллов по реакции:
Ж-->А + В (рис. 1а)
В сплавах с полной растворимостью компонентов кристаллизация во всех случаях
идет в интервале температур с образованием структуры однородного твердого раствора
(рис. 16).
В сплавах с ограниченной растворимостью компонентов (рис. 1в) кристаллизация
начинается с выделения избыточных кристаллов твердого раствора а или |3 и протекает в
интервале температур. Заканчивается этот процесс при постоянной температуре (линия дск)
образованием эвтектики, состоящей из кристаллов твердых растворов по реакции:
Ж--> α+β
В системе с перитектическим превращением (рис. 1г) на кривой охлаждения сплава 1
в начале наблюдается перегиб, соответствующий началу кристаллизации а - раствора, а
затем горизонтальный участок, отвечающий перитектическому превращению:
Ж + α-->β
Рис. 1.
Диаграмма состояния и кривые охлаждения сплавов, не
имеющих превращений в твердом состоянии.
а) - отсутствие растворимости, б) - полная растворимость,
в) - ограниченная растворимость с образованием эвтектики,
г) - ограниченная растворимость с образованием перитектики.
Это превращение заключается в том, что выделившиеся ранее кристаллы а - раствора
взаимодействуют при постоянной температуре (линия вcд) с оставшейся жидкостью,
образуя новую фазу- твердый раствор. При этом в сплаве I после окончания перитектического превращения в структуре частично сохраняются первичные кристаллы а . В
сплаве II (рис. 1г) после перитектического превращения остается неизрасходованная жидкость, которая при дальнейшем охлаждении превращается в кристаллы - раствора. Это
превращение тоже сопровождается тепловым эффектом, отражающимся на кривой охлаждения (кривая II).
Кристаллизация сплавов, компоненты которых образуют устойчивое химическое
соединение (рис. 2а) или твердый раствор на основе химического соединения (рис. 26),
происходит также, как в рассмотренных выше диаграммах. Исключения составляют сплавы,
соответствующие по составу чистым химическим соединениям (рис. 2а, б, точка д), которые
кристаллизуются при постоянной температуре подобно чистым металлам. Каждую
диаграмму с устойчивым химическим соединением можно рассматривать, как комбинацию
из простых диаграмм, где вторым компонентом условно считают образовавшееся в системе
химическое соединение.
Процесс кристаллизации в сплавах, компоненты которых образуют неустойчивое
химическое соединение (рис. 2в), происходит следующим образом. Сначала из жидкости
выделяются кристаллы одного из компонентов. Моменту начала этого выделения соответствует точка перегиба на кривой охлаждения. Затем следуют два изотермических
превращения, которым соответствуют два горизонтальных участка на кривой
охлаждения. Первый участок - это образование химического соединения по
перитектической реакции А + Ж -> AmBn, второй - эвтектическое превращение
Ж --> AmBn + В.
Вторичная кристаллизация, т.е. превращения в твердом состоянии (полиморфные
превращения, полный или частичный распад твердого раствора образование или
распад неустойчивых химических соединений) и магнитные превращения также
сопровождаются тепловым эффектом. Однако, величина теплового эффекта при этом
меньше, чем при первичной кристаллизации.
Рис. 2. Диаграмма состояния и кривые охлаждения сплавов, не имеющих
превращений в твердом состоянии и образующих химические соединения.
а) - при отсутствии растворимости, б) - при ограниченной растворимости, в) -образование химического соединения, неустойчивого при высоких температурах.
В чистых металлах превращение в твердом состоянии (полиморфное) происходит при
постоянной температуре (рис. 3 а,б,в, точка m). В сплавах превращения в твердом состоянии также могут протекать при постоянной температуре в следующих случаях.
1) В сплавах-смесях при полиморфном превращении компонентов или образованного
ими химического соединения (рис. За, сплав I). На диаграмме состояния этим превращениям соответствует горизонтальная линия, а на кривой охлаждения изотермическая остановка.
2) При эвтектоидном превращении, в результате которого происходит полный распад
твердого раствора и образование смеси фаз с постоянной концентрацией. Например,
на (рис. 4 б, в) в точке "с" твердые растворы при постоянной температуре распадаются
на эвтектодную смесь кристаллов компонентов А и В. Точка ''с'' в этом случае называется
эвтектоидной точкой, а соответствующий ей сплав - эвтектоидным сплавом. Если состав
сплава отличается от эвтектоидного, то сначала следует частичный распад с выделением из
твердого раствора новой фазы, например, кристаллов чистого компонента (рис. Рис.4б,в,
сплав I). Далее оставшийся твердый раствор при постоянной температуре превращается в
эвтектоидную смесь точно такого же состава, как и в эвтектоидном сплаве. В этом случае
начало частичного распада характеризуется точкой перегиба на кривой охлаждения, а
эвтектоидный распад - горизонтальным участком.
3) При образовании химических соединений в твердом состоянии или упорядоченных фаз
только сплав, соответствующий концентрации точке "а" (рис. 4г), будет иметь площадку
(горизонтальный участок) на кривой охлаждения.
Во всех остальных случаях превращения в твердом состоянии протекают в интервале
температур. Соответствующие линии на диаграмме состояния имеют наклон и могут
показывать или полиморфное превращение твердого раствора (рис. 3 б и в) или частичный
распад твердого раствора (рис. 3г и 4а). Началу этих превращений на кривых охлаждения
соответствуют точки перегиба.
Рис. 3.
Диаграмма состояния и кривые охлаждения сплавов,
имеющих превращения в твердом состоянии:
а) - полиморфное превращение при отсутствии растворимости и при наличии химического
соединения, в) - полиморфные превращения в сплавах - твердых растворах, г) - изменение
растворимости.
Рис. 4.
Диаграмма состояния и кривые охлаждения сплавов,
имеющих превращения в твердом состоянии:
а) - изменение растворимости в сплавах с перитектическим
превращением, б) - распад твердого раствора, в) - распад
ограниченного твердого раствора, г) - образование
химических соединений или упорядоченных фаз.
Методические указания по анализу заданной диаграммы
1. Вычертив заданную диаграмму, следует обозначить ее основные точки и линии
буквами и указать фазы и структуры, образующиеся в различных сплавах.
Целесообразно отделить вертикальными пунктирными линиями области с
различными структурными составами и в каждой области указать соответствующие
структурные составляющие.
Фазовый и структурный состав разных сплавов может быть различным. Например, на
диаграмме (рис.5) фазовый состав в областях "а", "б" и "в" одинаков. Это твердый раствор а, представляющий собой ограниченный твердый раствор фосфора в а - железе (с
переменной растворимостью), и химическое соединение Fe3P постоянного состава.
Структурный же состав в этих областях различен. В области "а" сплавы состоят из
кристаллов а - твердого раствора и некоторого количества вторичных кристаллов
химического соединения Fe3P, выделившихся в виде мелких частиц из основного а твердого
раствора.
Структурный состав в области '"б"' (так называемые доэвтектические сплавы) представляет собой а - твердый раствор + эвтектика +вторичные кристаллы соединения
Fe3P.
2. Если заданная диаграмма сложная, например с образованием нескольких химических соединений, то при анализе удобно разбить ее на более простые части и
охарактеризовать каждую из них отдельно.
Например: диаграмма на (рис. 5) представляет собой диаграмму с химическим соединением и имеющую эвтектическое и полиморфное превращения.
Диаграмма состояния железо-фосфор,
кривые охлаждения и схемы микроструктур
сплавов при комнатной температуре.
Рис.5
Диаграмма состояния железо-фосфор, кривые охлаждения и
системы микроструктур сплавов при комнатной температуре.
Основные линии диаграммы, важные концентрационные точки.
acf- линия ликвидус, арск - линия солидус, рск - линия эвтектического превращения,
qp - линия предельной концентрации а - твердого раствора при различных температурах, nhj - линия начала полиморфного превращения а <==> у.
Основные точки диаграммы: а - точка кристаллизации и плавления чистого железа; с эвтектическая точка; р - точка, показывающая максимальную растворимость фосфора
. в а - железе; q - точка показывающая предельную концентрацию фосфор в а растворе при комнатной температуре; n, j - точка полиморфных превращений в
чистом железе.
3. Кривые охлаждения сплавов должны быть построены в том же масштабе температур, что и диаграмма состояния. Температурные значения критических точек
определяются по пересечению ординаты, соответствующей заданному составу сплава,
с линиями диаграммы, а время берется произвольно.
На различных участках кривой охлаждения следует схематично обозначить соответствующие превращения и пояснить их в тексте.
Например:
''...Кристаллизация сплава I (рис. 5) начинается с точки 1 (следует иметь в виду, что
фактически это происходит несколько ниже точки 1, так как необходимо переохлаждение жидкого сплава). В данном случае из жидкости выделяются кристаллы а твердого раствора. Этот процесс заканчивается в точке 2, в результате чего сплав
получает однофазную структуру а - раствора. Между точками 2 и 3 следует обычное
охлаждение сплава, без каких либо фазовых превращений. В точке 3 начинается
полиморфное превращение твердого раствора α —> γ происходящее в интервале
температур и заканчивается в точке 4.
Образовавшийся γ- твердый раствор охлаждается до точки 5, где вновь начинается
полиморфное превращение, связанное с изменением типа кристаллической решетки
раствора на основе железа у -> а. Это превращение заканчивается в точке 6, ниже
которого сплав, имеющий однофазную структуру а - твердого раствора, охлаждается
до комнатной температуры без превращений.
4. При изображении схемы микроструктуры необходимо стремиться к тому, чтобы
она максимально близко воспроизводила реальную структуру, наблюдаемую при
металлографическом анализе.
Чистые металлы и однофазные твердые растворы в состоянии равновесия имеют
однородное зернистое строение. Химические соединения могут образовывать
кристаллы разных размеров и форм. При частичном распаде твердых растворов они
часто располагаются в виде сетки по границам зерен или образуют мелкие включения
вторичных кристаллов внутри зерен твердого раствора.
Эвтектики и эвтектоиды кристаллизуются в виде смеси различной дисперсности
точечного, пластинчатого или зернистого строения. Схематично изображение
некоторых структур показано на (рис. 5).
5. С помощью метода количественного фазового анализа необходимо определить
химический состав фаз (т. е. их концентрацию), присутствующих в данном сплаве при
заданной температуре и их относительное весовое количество. Для этого через точку,
соответствующую состоянию сплава при заданной температуре, проводят горизонталь
(коноду) до пересечения с линиями, ограничивающими эту область. Проекции точек
пересечения коноды с линиями диаграммы на ось концентрации показывают
химический состав соответствующих фаз. Длины отрезков коноды, заключенные
между заданной точкой и точками, определяющими составы фаз, обратно
пропорциональны количествам этих фаз.
Результаты расчета необходимо привести в виде таблицы (см. таблицу №1)
Следует отметить, что правило отрезков, используемое для количественного анализа,
применимо только в двухфазных областях диаграмм. В однофазной области имеется
лишь одна фаза, и любая точка внутри этой области характеризует ее концентрацию.
Таблица 2.
Состав Темпера- Фазовый состав сплава и
сплава тура °С
химический состав фаз
Сплав 1 20
Однородный твердый рас0,4 Р
твор фосфора в а -железе с
99.6%Fe
концентрацией 0,4% Р
Сплав 2 1400
Кристаллы а - твердого
2%Р
раствора концентрации
98% Fe
0,9% Р (точка "а") и 99,1%
Fe. Жидкая фаза концентрации 5,5% Р и 94,5% Fe
(точка "в")
Сплав 3 100
Основная структура а 2%Р
твердый раствор концен98% Fe
трации 1% Р (точка "б") и
небольшое количество
кристаллов химического
соединения Fe3P
(магнитного)
концентрации 16%Р и 84%
Fe (точка "ж")
Относительное весовое колво фаз
100%- α
Количество α - фазы:
=30%
Количество жидкости Qж
=100%-30% = 70%
Количество α - фазы:
=92.5%;
количество кристаллов
соединения Fe3P
QFe3p =100% - 92.5% = 7.5%