Загальні відомості. Знання діаграм стану різних систем, що характеризують перетворення в сплавах, і уміння аналізувати ці перетворення дозволяють оцінити властивості сплавів і в

Знання діаграм стану різних систем, що характеризують перетворення в сплавах, і уміння аналізувати ці перетворення дозволяють оцінити властивості сплавів і в остаточному підсумку раціонально вибрати матеріал для тих чи інших виробів у залежності від пропонованих до них вимог.

Діаграми стану зображуються в координатах температура - вміст компонентів. Лінії, що з'єднують критичні точки аналогічних перетворень у системі, розмежовують області існування рівноважних фаз. Будь-яка точка на діаграмі визначає фазовий і хімічний склади сплаву, а також його структуру при даній температурі. Вертикальна лінія відповідає визначеному хімічному складу сплаву. У залежності від того, як взаємодіють компоненти сплавів між собою у твердому стані (володіють різною взаємною розчинністю й утворюють тверді розчини; утворюють евтектики чи хімічні сполуки), розрізняють кілька типів діаграм.

Розглянемо, наприклад, перетворення, що відбуваються в сплавах А1 - Са (рис. 2.1). Вище лінії ліквідус АВСDEF обидва компоненти знаходяться в рідкому стані й у будь-яких співвідношеннях необмежено розчиняються друг у другу. Нижче лінії солідус АМВNРQКЕН сплави системи знаходяться у твердому стані. Аналіз діаграми показує, що при затвердінні відбуваються наступні перетворення.

а, б, г, д – криві охолодження; в – діаграма стану

Рисунок 2.1 – Діаграма стану та криві охолодження сплавів системи Al – Ca (структурний аналіз)

1. Утворюється α-твердий розчин Са в Аl. Область існування твердого розчину - АМS₁ прилягає до лінії чистого Аl. Точка М показує максимальну розчинність Са в Аl, точка S₁ - мінімальну, лінія МS₁ - обмеження розчинності Са в Аl. Отже, зі зниженням температури спостерігається зменшення розчинності Са в Аl відповідно до лінії МS₁ Надлишковий кальцій, що не може бути розчинений у α-твердому розчині, виділяється при охолодженні нижче лінії МS₁ у виді вторинних кристалів СаA1₃ на відміну від первинних СаA1₃, що утворюються при наявності рідкої фази в точці Р.

2. Утворюються хімічні сполуки СаА1₃ і СаА1₂, що кристалізуються з рідкого сплаву при температурах, що відповідають точці D, і точці Р при взаємодії рідкої фази і хімічної сполуки СаА1₂ (відповідально)

Перетворення, що протікає при постійній температурі, коли з двох фаз, одна з яких є рідкою, утворюється третя і усі фази в момент перетворення мають визначений склад, називається перитектичним і може бути записане у виді реакції

де символы С, Q, Р показуюють вміст компонен­тів у відповідних фазах.

У процесі перитектичного перетворення відповідно до правила фаз С = К– Ф+ 1 =2 – 3+ 1 =0. Застосування правила відрізків (конода СР) показує, що при перитектичному перетворенні маси взаїмодіючих фаз строго певні. У доперитектичних сплавах, розташованих лівішее точки Р, у надлишку залишається рідка фаза, що потім випробує всі перетворення, описані нижче для сплаву II. У заперитектичних сплавах, розташованих правіше точки Р, надлишкової є тверда фаза (у даному випадку СаА1₂). Хімічна сполука СаА1₂ є стійкою при нагріванні аж до температури плавлення (точка D). Хімічна сполука СаА1₃ хитлива і, будучи нагрітою до температури точки Р, розкладається на рідину і СаА1₂.

3. Формуються дві евтектики Е₁ і Е₂. Перша являє собою тонку механічну суміш кристалів α-твердого розчину і СаА1₃, що утвориться (при С = 0) з рідини по реакції

Друга евтектика являє собою тонку механічну суміш кристалів Са і СаА1₂ і утвориться по реакції

При цьому перетворенні, як і при першому евтектичному перетворенні, система нонваріантна (С = 0).

У ряді систем можлива подібна реакція, але суміш двох різних фаз утворюється не з рідини, а з твердого розчину. Така реакція називається евтектоїдною.

Розглянемо криві охолодження декількох сплавів (див. рис. 2.1) і проведемо їхній докладний структурний аналіз.

Сплав І. При охолодженні від точки 0 до точки 1 (див. рис. 2.1а) сплав знаходиться в рідкому стані (С = 2). При температурі t₁, що відповідає точці 1, починається кристалізація сплаву. Конода аbс - відрізок ізотерми, проведений вліво і вправо від лінії сплаву до перетинання з лініями діаграми, де розташовані шукані фази чи структурні складові (див. рис. 2.1б). Вона показує, що це кристали α-твердого розчину (точка a коноди вказує на область α). Друга точка коноди с указує на наявність рідкої фази. Користуючись правилом відрізків, можна визначити масову частку (Q, %) співіснуючих фаз. Наприклад, при температурі t₁ Qα = bс,/(ac)·100, Qр = bс,/(ac)·100. Отже, для визначення вмісту кожної з двох фаз необхідно узяти відношення довжини протилежачого від шуканої фази відрізка коноди до довжини всієї коноди. Проекції точок а і с на вісь концентрацій покажуть, який вміст компонентів у кожній з фаз (точка а - у α-твердому розчині, точка с - у рідкій частині сплаву).

При охолодженні сплаву І від t₁ до t₂ частка твердої фази росте, а рідкої - відповідно зменшується, що підтверджується правилом відрізків.

До моменту охолодження сплаву до t₂ вміст компонентів в останніх порціях кристалів α-твердого розчину буде відповідати точці М, а в рідині - точці В. Як видно, рідина має евтектичний склад і тому вона кристалізується по першій евтектичній реакції (С = 0), що протікає при постійній температурі (t₂ = t_2'). Зі зникненням при t_2' рідини первинна кристалізація закінчується, а від t_2' до кімнатної температури протікає вторинна кристалізація сплаву (із твердої α-фази виділяється СаА1_{3 ІІ}).

Сплав ІІ. Від t₀ до t₁ (див. рис. 2.1б) йде охолодження рідкої фази, від t₁ до t₂ - виділення з рідини кристалів СаА1₃. Потім протікає евтектична реакція при постійній температурі (лінія МВ на рис. 2.1в) і рідка частина сплаву переходить у евтектику. Нижче t_2' ніяких перетворень у кристалах СаА1₃ і в евтектиці не відбувається.

Сплав ІІІ. Від t₀ до t₁ (див. рис. 2.1г) йде охолодження рідкої фази, від t₁ до t₂ відбувається виділення з рідини кристалів СаА1₂. По досягненні температури, що відповідає лінії СР, протікає перитектична реакція (С = 0)

(избыточный).

Оскільки лінія сплаву ІІІ проходить правіше точки Р, тобто ближче до лінії СаА1₂, то в результаті перитектичного перетворення утвориться СаА1₃ і деяка частина СаА1₂ залишається в надлишку. Нижче t₂ ніяких перетворень у сплаві не відбувається.

Кристалізацію сплаву ІV (див. рис. 2.1д) аналізують за аналогією з розглянутими вище сплавами.

Аналіз криві охолодження чистих компонентів А1, Са і хімічної сполуки СаА1₂ показує, що вони мають однаковий характер (площадку кристалізації в точках А, F і D відповідно) і відрізняються лише температурним рівнем площадки кристалізації. Таким чином, стійкі хімічні сполуки поводяться подібно компонентам сплаву і, прийнявши СаА1₂ умовно за компонент, діаграму А1 - Са (див. рис. 2.1в) можна розглядати як складену з двох самостійних діаграм А1 - СаА1₂ і СаА1₂ - Са. При цьому діаграма СаА1₂ - Са є, власне кажучи, елементарною діаграмою, коли обидва компоненти у твердому стані нерозчинні друг у другу й утворюють механічну суміш - евтектику. Діаграма А1 - СаА1₂ складається з частин елементарних діаграм стану з обмеженою розчинністю компонентів у твердому стані, з евтектичним і перитектичним перетвореннями.

На рис. 2.2 приведені результати фазового аналізу діаграми А1 - Са.

Рисунок 2.2 – Ліаграма стану сплавів системи Al – Ca (фазовий аналіз)

Фазовий склад сплавів у будь-якій області легко визначити за допомогою коноды, кінці якої вказують на рівноважні співіснуючі фази і вміст у них компонентів. Лінія ліквідус показує не тільки температуру початку кристалізації відповідних сплавів, але і вміст компонентів у рідкій фазі будь-якого сплаву в залежності від температури. Солідус визначає температуру закінчення кристалізації і вміст компонентів у твердій фазі, що кристалізується.

У випадку, якщо необхідно визначити масову частку структурних складових, наприклад, у сплаві ІV для температури t₂ - евтектики і СаА1₂, проводять коноду fpk (див. рис. 2.1) до ліній, що відповідають складовим, і пользуються співвідношеннями (Q_СаА12 = рk/(fk)·100 і (Q_Е2= рk/(fk)·100. Структурна складова сплаву має під мікроскопом своєрідний вид.