Файл: Бунин К.П. Анализ фазовых равновесий и кристаллизации металлических сплавов учеб. пособие по курсу Металлография.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 28.07.2024
Просмотров: 75
Скачиваний: 0
191ИШСТЕРСТВ0 ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНСКОЙ ССР
ДНЕПРОПЕТРОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
Кафедра металловедения
К.П.БУНИН, А.А.БАРАНОВ, Ю.Н.ТАРАБ
АНАЛИЗ ФАЗОВЫХ РАВНОВЕСИЙ И КРИСТАЛЛИЗАЦИИ
(МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ
Учебное пособие по курсу "Металлография"
Днепропетровск 1 9 7 3
научна - тс |
-е- i-ля |
ЭКЗЕМПЛЯР
j ЧИТАЛЬНОГО ЗАЛА
О Г Л А В Л Е Н И Е |
|
I ЧАСТЬ. ФАЗОВЫЕ РАВНОВЕСИЯ В МЕТАМИЧЕСКИХ СПЛАВАХ. |
|
§ I . Диаграммы фазовых равновесий металлов в |
|
металлических сплавов. |
4 |
§ 2. Методы построения диаграмм фазовых рав |
|
новесий. |
29 |
П ЧАСТЬ. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ. |
|
§ 3. Кристаллизация твердого раствора и хими |
|
ческого соединения. |
41 |
§ 4. Эвтг стическая кристаллизация. |
61 |
§ 5. Перитектическая кристаллизация. |
80 |
§ 6. Монотектичеоия кристаллизация. |
88 |
5 7. Экстечтическая кристаллизация. |
99 |
§ 8. Синтактическая кристаллизация. |
107 |
ПРИЛОЖЕНИЕ. Основные термодинамические закономерности фазо |
|
вых равновесий. |
Ы З |
П Р Е Д И С Л О В И Е
Настоящее учебное" пособие предназначается для студентов ме- -аллургг-ч, литейщиков, физхиников и термистов, изучавши метал лографию. Согласно учебным планам этих спепиальностей металлогра фии предшествуют физика, химия и физическая химия. Б связи с этим азучениэ металлографии представляет собою звено в непрерывной фи зико-химической подготовке студентов, которая завершается при чте-
зш спецкурсов, также базирующихся на физико-химических закономер ностях.
"чебное пособие освещает два важных вопроса металлографии - анализ фазовых равновесий в металлических сплавах и анализ про весов кристаллизации.
Для тесной увязки учебного пособия с предшествующими фвзикотшдоческими дисциплинами в приложении напоминаются термодинами ческие закономерности, лежащие в основе анализа фазовых равнове сий. 3 9 5 1 и 2 анализируются основные (для металлических сплавов) :иагоаммы фазовых равновесий и методы их построения. В 9§ 3-8 рас- :матв*вается микроскопическая картина пропессов кристаллизации, зстмчаюшихся в металлических сплавах.
чеонов пособие рекомендуется в первую очередь студентам ве- ^етжюсам и заочникам. Оно будет полезно и для студентов дневников, благодаря детализации анализа диаграмм фазовых равновесий и прев ращений в металлических сплавах настоящее пособие облегчит р^оо-
"V студентов над рекомендуемыми книгами по металлографии К.Л.Буни на, д..А.Баранова и Б.Г.Лившица.
I Ч А С Т Ь
ФАЗОВЫЕ РАВНОВЕСИЯ В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВАХ.
§I . ДИАГРАМШ ФАЗОВЫХ РАВНОВЕСИЙ МЕТАЛЛОВ
ИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ.
Влияние термодинамических параметров на состояние металлов и сплавов графически представляют в виде диаграмм фазового равнове
сия. На них указывают фазовые состояния металлов или сплавов в рав новесных условиях при разных давлениях, температурах и составах.
Диаграммы однокомпонентных систем обычно строят в координатах
давление - температура. Влияние третьего параметра - объема можно определить по известным уравнениям состояния. На рис. 1,а представ лена диаграмма состояния мономорфного металла.
Диаграммы состояния систем из двух компонентов изображается
обычно для постоянного (атмосферного) давления. На горизонтальной оси откладывают состав, на вертикальной - температуру (рис. 1,6). Крайние вертикали диаграмм соответствуют чистым компонентам. Ба этих вертикалях отмечают температуры фазовых равновесий для компо нентов А и Б. Сплав С 0 состоит из а* компонента А и /Ю0-а/# компо нента Б. Все поле диаграммы разделено на области, которые соответ ствуют однофазному или двухфазному состояниям сплава.
Выше линии Тй /1 Тб /линии ликвидус/ все сплавы находятся в
состоянии жидкого раствора. В этих условиях (см.приложение) систе ма имеет две степени свободы /0=2+1-1=2/. В области, заключенной между линиями ликвидус и сслидус, сплавы находятся в двухфазном
состоянии этой области система имеет одну степень
свободы / C=2+I-<i=I/: произвольно может быть выорана либо темпера тура, либо состав одной из фаз. При изменении температуры составы сосуществующих в равновесии фаз могут быть определены проекциями на горизонтальную ось точек пересечения изотермы с линиями дикви-
- 7 -
ставить как состоящие из нескольких простых. Рассмотрим основные ти пы простых диаграмм состояния, характерных для металлических спла вов.
Вид кривых изменения термодинамического потенциала фаз зависит
JT многих факторов (см. приложение). Влияние, например, температуры Т и давления Р на термодинамический потенциал характеризуется равенством:
|
|
|
3 |
= |
где U |
. 5 |
и |
V |
- внутренняя энергия, энтропия и объем. |
С изменением этих параметров испытывает изменение и термодинамиче ский потенциал. Но это изменение для разных фаз различно. В зависи мости от положения и вида кривых изменения термодинамического потен циала каждой Фазы диаграмма состояния системы приобретает ту или иную форму.
На рис. 2 представлены кривые изменения термодинамического по тенциала /а - в/ и диаграмма состояния /г/ мономорфного металла. Пои Р=Рт /рис. 2,а/ кривые изменения термодинамического потенциала фаз пересекаются в трех точках. При Т=Т3 пересекаются кривые для кристаллов и жидкости. Поскольку при этой температуре химические
потенциалы атомов в кристаллической и жидкой фазах одинаковы / / ^ j c =
~' м е т а л л может состоять из жидкости и кристаллов (см.прило
жение). Температура Т 3 соответствует температуре плавления металла при давлении Рт . Ниже Т 3 устойчиво твердое состояние, ибо термоди намический потенциал кристаллического металла ниже, чем жидкого или газообразного. При температурах, лежаших выше Т 3 , устойчиво жидкое состояние металла. Однако термодинамичэский потенциал жидкого метал ла минимален лишь пт температурах, не превышающих Tg, при кото-
г- --roie л я jatbKocTH пересекается с кривой для газообразного
- 9 -
металла. При Tg одинаковы химические потенциалы атомов жидкости
и газа / А^ж = ftr I и эти оое фазы сосуществуют в равнове
сии друг* с другом. Температуру принимают за температуру ки
пения при давлении Pj . Выше Tg устойчиво газообразное состояние металла.
При давлении Pj кривые изменения термодинамических потенциа
лов кристаллической и газообразной фаз пересекаются при темпера туре Т4 . потенциал их выше, чем жидкой Лазы, и в условиях ста бильного состояния металл будет находиться в виде жидкости. Тем пературная зависимость термодинамического потенциала металла при давлении Pj в условиях стабильного состояния показана жирной кри вой.
По меое понижения давления - кривые опускаются, однако
темп снижения для разных фаз различен и зависит от молярного
объема фаз. Объем газообразного металла больше, чем жидкого и кристаллического и кривая для газа опускается интенсивнее. При не котором давлении Р 0 все три кривые пересекутся в одной точке, со ответствующей температуре 'fg /рис. 2,6/. Точку пересечения 17
называют тройной. При Р = Р 2 и Т = Т 2 химические потенциалы ато мов во всех трех фазах одинаковы IJ^* - = J^r'/и в атих
условиях могут сошествовать все три оразы. При Т ниже Т 2 устойчиво кристаллическое состояние, при Т выше Т 2 - газообразное. При даль нейшем понижении давления продолжается интенсивное опускание кри вой для газообразного металла. Кривая изменения сЗ~ жидкости оказывается выше кривых для кристаллов или газа. При Р '.= Р3 . . /рис. 2,в/, Jg£ - кривые для кристаллов и газа пересекаются при Т = T j , при которой одинаковы химические потенциалы газообраз ного и кристаллического металла. Ниже Tj устойчиво кристаллическое состояние, выше T j - газообразное.
- 10 -
Условия / Р,Т /, при которых одинаковы химические потенциалы атомов в фазах, можно указать на диаграмме, построенной в коор динатах Р - Т.
Диаграмма состояния мономорфного металла приведена на ряс. 2,г. Все поле диаграммы разделено на три части, соответствуйте кристаллическому, падкому и газообразному состояниям. В каждой из этих однофазных областей можно независимо менять два параметра - давление и температуру, не вызывая изменения фазового состояния металла. В соответствии с правилом фаз число степеней свободы в этих областях равно двум / С = 1+2-1=2 /. В условиях, характери зующихся линиями, которые разделяют однофазные области, система имеет одну степень свободы / С = 1+2-2=1 / и независимым перемен ным может быть либо давление, либо температура. Если произвольно выбравь, например, давление сохранение двухфазного состояния метал ла возможно лишь при определенной температуре, которую определяют по диаграмме состояния. При условиях, соответствующих тройной точке 0 сосуществуют три фазы и система не имеет степеней свобо ды: три фазы равновесно сосуществуют лишь при определенных значе ниях давления /Р2 / и температуры /Т2 /. Подобное равновесие няанвают безвариантным.
На диаграмме состояния полиморфного металла имеются дополни тельные линии, разделяющие области, в которая устойчивы различные модификации металла. На рис. 3, а приведена диаграмма состояния полиморфного металла, обладающего двумя модификациями /Ъ.-оС * К-/51.
Справа от линии МН металл находится в состоянии высокотемпературной модификации - К- р . В условиях, характеризующихся линией МН, могут сосуществовать К- ai и К- В •
Изменение термодинамических потенциалов фаз при давлении Pj представлено на рис. 3,6. Поскольку низкотемпературная модифика-
Еис.З
- 12 -
ция К- oL обычно характеризуется большей плотностью упаковки ато мов, кривая изменения термодинамического потенциала ее погоже, чем
К- в |
• При Т п |
химические потенциалы атомов в обеих модификациях |
одинаковы и Т д |
является температурой равновесия модификаций К-л и |
|
К- ув |
. Диаграмма состояния полиморфного металла с двумя модификада- |
|
ями содержит две тройные точки, в которых возможны Оезвариантнве |
||
трехфазные равновесия: в точке О-К-yd? + Ж + Г , в точке М - |
||
К- еС + К-у^ |
+ Г. |
|
|
В сплавах термодинамический потенциал фаз зависит и от соста |
ва (см.приложение). Показанное на рис. 4,а,0,в размещение кривых изменения термодинамического потенциала жидкого и твердого раст воров приводит к диаграмме состояния, приведенной на рис. 4,г.
Это встречается если компоненты неограниченно растворяются в жид ком и твердом состояниях.
При температурах выше точек плавления компонентов с^г - кри вая жидкости лежит ниже 3t - кривой кристаллов (рпс. 4,а). С по нижением температуры кривые поднимаются по разному поскольку энтропия жидкого раствора выше энтропии твердого раствора. При
температуре плавления более тугоплавкого компонента /Б/ обе кри вые исходят из одной точки, положение которой характеризует тер модинамический потенциал компонента Б (напомним, что при втой температуре компонент Б может находиться одновременно в жидком
и твердом состояниях, поскольку |
= jUr^ |
) . Ниже 1$ |
J^B ^ 1^5 и точка пересечения кривых смешается в направле |
||
нии компонента А. При Т = Тд с? |
- кривые жидкого и твердого |
растворов пересекаются на вертикали, соответствующей компоненту А; при этой температуре химические потенциалы компоненты А в жид
ком и твердом состоянии одинаковы. Размещение |
- кривых при тем |
|
пературе Т 2 / Т А ч Т 2 |
< Т Е / показано на рис. 4,6. Левее Cj тер |
|
модинамический потенциал |
сплава определяется участком о? -кривой |