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: 76
Скачиваний: 0
- 24 - |
|
|
|
/рис. 13,а / названо эвтектоидным - в этом случае состав^ |
— раст |
||
вора лежит между составами olY и |
оС^, а равновесие J2> |
+ |
са£/ + |
/рис. 13,6/- перитектоидным. |
|
|
|
Вид диаграмм состояния усложняется, если сплавляемые компонен |
|||
ты образуют промежуточные фазы |
( химические соединения ) . На рис.14 |
||
представлены диаграммы состояния с промежуточной фазой переменного |
|||
' /f / и постоянного |
состава. В приведенных системах про |
межуточная фаза устраняется непосредственно при расплавлении /кон груэнтно плавящиеся фазы/. Промежуточные фазы могут образовываться и в результате перитектического, перитектоидного и сиитектического превращений. Пример образования промежуточной фазы в результате сивтектического превращения рассмотрен ранее /рис. 9,а /. На рис. 15 представлены диаграммы состояния систем, в которых промежуточная фаза возникает во время перитектического / а / и перитектоидного /б/ превращений. В этих случаях промежуточные фазы устраняются при на гревании раньше чем произойдет полное расплавление и называются инконгруентно плавящимися.
Возникать промежуточные фазы могут я в результате твердофаз ных превращений oL — . В качестве примера такого перехода может служить образование Ь - фаз переходных металлов. При этом
область существования промежуточной фазы отделена от области твер дого раствора двухфазными областями / oL + 6 /_ рис. 16,а.
При изменении давления, температуры, состава - может изменять ся атомная и магнитная упорядоченность. При этом твердые растворы и промежуточные фазы могут переходить из разупорядочениого состоиняя в упорядоченное, испытывать магнитные превращения. Условен, при которых меняется атомный и магнитный порядок, характеризуется на диаграммах состояния обычно пунктирными линиями.
Превращения порядок ^Т: беспорядок могут происходить и как фа
зовые переходы I рода (рис. 16,а ) и как фазовые переходы П рода
- 27 -
(рис. 16,6 ) .
В некотошх металлических системах помимо стабильных фаз воз
никает к метастаоильные; Метастабильные фазы могут длительно суще ств, зать в сплаве, особенно при пониженных температурах, когда под вижность атомов невелика. Химический состав фаз, сосуществующих в равновесии со стабильными а метастабильными фазами, различается, что важно as построения, приведенного на рис. 17. метастабильная фаза 1Г
|
|
су |
. |
|
0 |
обладает божьаш термодинамическим потенциалом °<~р |
, чем стабиль |
||||
ная У" - фааа,амепва>1 термодинамический потенциал |
с? |
Твердый |
|
||
раствор оС |
, находящийся в равновесии |
с метастайильной фазой Г |
, |
||
растворяет |
больше компонента Б / Cot |
У C°L/f/. Диаграммы ста- |
бвжьаого и метастабильных состояний системы иногда вычерчиваются в одних координатных осях разными линиями.
-29 -
§2. МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ ДИАГРАММ ФАЗОВЫХ РАВНОВЕСИЙ
Диаграммы состояния металлических систем могут быть построе-
эм методами геометрической термодинамики и по экспериментальным данным.
ИЕТОД ГЕШЕТРИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ используется в том случае, если известна зависимость термодинамического потенциала фаз от темпера туры, давления и концентрации (см. приложение). С основными прин ципами построения диаграмм этим методом читатель ознакомлен в предыдущем раздг-е.
Для построения диаграммы состояния однокомпонентной системы необходимы сведения о зависимости термодинамического потенциала от температуры и давления
аоторые приводятся для различных вешеств в справочной литературе.
->оычно изменение внутренней энергии I |
LL |
/, энтропии / 5 |
/ и |
||
термодинамического потенциала / |
/ определяют по данным о тепло |
||||
емкости и теплосодержании |
системы. На рис. |
18 приведена температур- |
|||
дая зависимость |
и at |
. |
Скачок внутренней энергии и эн- |
тпошш обусловлен изменением агрегатного состояния при плавлении дли кристаллизации, плавление сопровождается поглощением теплоты
•_л Ял. /. которая расходуется на изменение энтропии и внутренней энергии. Кривая термодинамического потенциала испытывает излом при Г дл. /РИС. 18. жирная линия/.
вычисленные для разных давлений значения температур фазового эавновесия наносят на диаграмму, построенную в осях Р - Т.
_1ля расчета диаграмм состояния двухкомпонентных систем необхо димы данные и о зависимости термодинамического потенциала фаз от состава '.см. приложение). Термодинамический потенциал можно опре-
- 30 -
а
Рис.19
- 31 -
делить, если известны энергия смешения, температуры и теплоты плавления компонентов. Энергию смешения вычисляет по данным о свойствах сплавов, в частности, на основании тепловых эффектов фазоь..х превращений. Однако вычислить точно энергию смешения для танкветннх систем не удается. Поэтому не удается получить и точные выражения для концентрационной зависимости термодинамического по тенциала фаз. Обычно прибегают к использованию приближенных выра жении и таким образом расчет диаграмм приобретает приближенный ха рактер.
Летод геометрической термодинамики пока не получил широкого распространения при построении диаграмм состояния реальных систем яе-за трудностей, с которыми встречаются при вычислении термодива- «ческого потенциала фаз. Полученные этим путём для некоторых ме таллических систем диаграммы состояния близки к экспериментальным, д отдельных случаях при сопоставлении расчетных и экеперименталь- я*х диаграмм обнаруживается несовпадение. Использование более точшх методов вычисления термодинамического потенциала, учет межфаэаой поверхностной энергии и др. позволят получать с помощью геомет рической термодинамики более достоверные диаграммы состояния. Вос пользовавшись этим методом, можно решать и обратные задачи - позущяствуюшнм /экспериментальным/ диаграммам состояния определять зависимость теомодинамнческого потенциала фаз от основных парамет р е системы. Отметим, кстати, что основные положения геометрической гемодинамики используется при проверке диаграмм состояния, пострс ^иных экспериментальным путем.
ЖСПЕРЙШНТАШШЕ МЕТОДЫ основаны на изучении строения и свой- ;тв металлов и сплавов при разных температурах, составах и давлезвх. В качестве контролируемых параметров системы часто выбирают "емяештуру жди состав. Используют при построении диаграмм состоя
лся и ивметенкя длины образцов /дилатометрия/, объема /аикнометрвя/,
- 32 -«
микроили макротвердость, электрических и магнитных свойств, ме ханических свойств, внутреннего трения, термоэлектродвижущей свив
и др. Контроль микроструктуры и рентгеноструктурннй анализ позво ляют идентифицировать состав и структуру фаз ж дополняют другие
методы исследования.
с
Традиционным методом построения диаграмм состояния является термический анализ. В этом методе исследуется ход изменения темпе ратуры при нагревании и охлаждения металлов и сплавов. Если в ис
следуемом материале происходит, например, кристаллизация, ход кри вых охлаждения меняется из-за выделения теплоты кристаллизации. Плавление связано с поглощением тепла и это также сказывается на ходе кривых нагревания. Тепловые эффекты имеют место и при протека нии других фазовых превращений I рода и они сказываются на времен ной зависимости температуры исследуемого материала.
Кривые изменения температуры при замедленном охлаждении /кри вые охлаждения/ расплавленных металла и сплава представлены соот
ветственно на рис. 19.
При отсутствии фазовых превращений температура материала мо
нотонно снижается. Во время кристаллизации снижение температуры задерживается. Кристаллизация металлов при медленном охлаждении происходит в условиях, близких к изотермическим, и на хривых ох лаждения обнаруживаются температурные остановки: в течение некото рого времени тег-пература остается неизменной, поскольку отвод теп ла во внешнюю среду скомпенсирован выделением теплоты кристалли зации.
Для каждого компонента при постоянном давлении можно указать определенную температуру плавления. Кристаллизация сплава обычно
происходит в интервале температур и выделение теплоты кристалли зации замедляет подение температуры. Если по окончании кристалла-
- 34 -
запди в материале не происходит фазовых превращений, теыпепеягурв его монотонно снижается.
По изломам на кривых охлаждения можно указать температурные
интервал, в котором металлы и сплавы находятся в жидком, жидко кристаллическом, кристаллическом состояниях. Бели подобные кривые получены для разных давлений и концентраций, можно построить ди аграммы состояния. Для этого на Р - Т диаграмму металла ИЛЕ Т - С диаграмму сплавов наносят значения температур, соответствующих остановкам или изломам на кривой охлаждения и, соединив соответ ствующие точки друг с другом, ограничивают области существования металла в жидком и кристаллическом состояниях и сплава - в жидком, жидкокристаллическом и кристаллическом состояниях. Примеры постро ения диаграмм состояния однокомпонентной системы приведены на рис. 20, двухкомпонентной - на рис. 21.
Термический метод построения диаграмм состояния имеет больше недостатки. Кристаллизация металлов и сплавов происходит после не которого переохлаждения жидкости и обычно реальные кривые охлажде ния металлов и сплавов имеют вид, представленный на рис. 22. В от
личие от кривых, представленных на рис. 20, на реальных кривых име ется лпадина глубиной А Тр , за которой может следовать повышение
температуры /рекалесценция/. Появление рекалесценции связано с по догревом переохлажденного расплава благодаря выделению теплоты кри сталлизации. Установить по кривым охлаждения температуру равнове сия нельзя. Наличие горизонтального участка на кривой рис. 22, а свидетельствует лишь о скомпенсированности теплоотвода во внешнюю среду и выделения тепла кристаллизации при росте кристаллов пере охлажденного на Л Т металла, а не равновесии \ ^ГГ К. Рекалес ценция имеет место и на кривых охлаждения сплава /рис. 22,6/.
В некоторых случаях "истинную" температуру ликвидус сплава нахо дят экстраполяцией участка кривой, соответствующей росту кристал-
-35-
Рис.21
Г
а
Рис.22
- 36 -
лов /рис.22,б показано пунктиром/. Определяемое прв этом значение температуры лежит ближе к точке ликвидус /но не является ею/, чем
перегиб на кривой охлаждения. К концу кристаллизации остается не большое количество жидкости и связанное с ее затвердеванием выде ление тепла невелико. Поэтому кривые охлаждения в соответствующем температурном интервале имеют плавный ход, что затрудняет опреде ление температуры солидус. Явление ликвации в сплаве усугубляет трудности определения положения кривой солидус.
Плавление металлов и сплавов не связано с большим перегревом и, поэтому, кривые нагревания больше пригодны для построения диаг рамм состояния. Температурная остановка на кривых нагревания чис того металла лежит ближе к точке плавления, иногда точку плавле ния переделяют усредняя температуры остановок на кривых нагрева и охлаждения.
Термический анализ применим для систем, в которых фазовые превращения связаны с большим тепловым эффектом. Однако многие превращения в затвердевших металлах и сплавах таковыми не являются и вместо•термического анализа следует применять другие методы. Тер мический анализ поэтому является лишь предварительным при исследо вании многокопонентных систем.
Более достоверную информацию об областях фазового состояния металлов и сплавов получают по данным о составах сосуществующих в равновесии фаз. Например, положение соответствующих точек линий ликвидус и солидус можно определить, если сплав длительно выдер жать при определенной температуре до установления фазового равно весия. Определяя затем составы сосуществующих фаз можно найти гра ницы областей фазовых состояний. При затвердевании сплава оставшу юся жидкость можно отделить от кристаллов, используя при етом раз личие плотности фаз. Используют и метод декантирования /удаление