Диаграмма состояния для сплавов свинца с сурьмой. Правило фаз. Правило отрезков.
Для изучения сплавов обычно пользуются диаграммами состояния сплавов. Диаграммы состояния сплавов заменяют собой все записи и кривые охлаждения сплава, полученные в результате Многочисленных наблюдений. Такая диаграмма дает возможность видеть все изменения строения сплава и его свойств, происходящие в зависимости от изменения концентрации и температуры. Любая точка диаграммы дает характеристику сплаза определенной концентрации и структуры. По диаграмме состояния сплавов можно определить температуру плавления и температуру затвердевания данного сплава при любой концентрации. Знание этих фактов способствует правильному выбору температур нагрева и охлаждения при термической и химико-термической обработках различных сплавов.
Для того чтобы уяснить, как строится диаграмма состояния сплавов, рассмотрим построение такой диаграммы для сплавов свинца и сурьмы. Возьмем чистые металлы свинец и сурьму и несколько их сплавов с содержанием сурьмы 5%, 10%, 13%, 20%, 40% и 80%.
Рис. 17. Кривые охлаждения свинца, сурьмы и различных сплавов свинца с сурьмой.
Чтобы определить критические точки взятых металлов и их сплавов, нагреем поочередно каждый металл и сплав до полного расплавления и с помощью термопары или пирометра внимательно проследим за процессом их охлаждения и построим кривые охлаждения (рис. 17). В процессе охлаждения расплавленного чистого свинца будут происходить следующие явления.
|
|
|
При температурах, лежащих выше 327°, свинец находится в жидком состоянии (рис. 17, а); при температуре 327° наблюдается процесс кристаллизации свинца с задержкой падения температуры до полного завершения кристаллизации; после окончания кристаллизации происходит дальнейшее охлаждение твердого свинца до температуры окружающей среды.
Аналогичные явления наблюдаются и в процессе охлаждения расплавленной чистой сурьмы (рис. 17, б), с той лишь разницей, что кристаллизация сурьмы начинается при температуре 630°.
Сплав, состоящий из 95% свинца и 5% сурьмы (рис. 17,в), имеет кривую охлаждения с двумя критическими точками, поэтому он затвердевает в интервале температур 296—246°. При температуре 296° из жидкого сплава начинают выделяться первые кристаллы чистого свинца. Кривая в этой точке имеет перегиб. По мере дальнейшего понижения температуры количество кристаллов свинца будет все более увеличиваться, а остающаяся часть жидкого сплава будет обогащаться сурьмой. Такое явление продолжается до тех пор, пока концентрация жидкого сплава не достигнет 13% сурьмы и 87% свинца; при такой концентрации весь сплав, оставшийся еще жидким, затвердеет при температуре 246°. Сплав, состоящий из 30% свинца и 10% сурьмы (рис. 17, г), затвердеет также в интервале температур 260—246°. При температуре 260° начинается выделение из жидкого сплава кристаллов свинца. При достижении концентрации жидкого сплава до 13% сурьмы и 87% свинца происходит затвердевание сплава при температуре 246° (рис. 17, д). Следовательно, при охлаждении вышеприведенных сплавов, прежде чем будет достигнута критическая температура 246°, весь лишний, избыточный сверх 87% свинец выделяется из жидкого сплава в виде кристаллов. По достижении состава 87% свинца и 13% сурьмы сплав переходит в твердое состояние при температуре 246°. Структура затвердевшего сплава такой концентрации состоит из правильно чередующихся между собой частиц свинца и сурьмы. Такая механическая смесь называется эвтектической. Все сплавы свинца с сурьмой, содержащие сурьмы меньше, чем 13%, будут всегда иметь избыток свинца и при охлаждении стремятся выделить этот избыток в виде твердых кристаллов свинца, чтобы при температуре 246° образовать эвтектику. Тогда, очевидно, в твердом состоянии такие сплавы будут иметь структуру свинец + эвтектика. Сплав, состоящий из 87% свинца и 13% сурьмы, имеет кривую охлаждения (рис. 17, д) с одной критической точкой. Этот сплав находится в жидком состоянии при температурах, лежащих выше 246°. При температуре 246° сплав полностью переходит в твердое состояние.
|
|
|
Такая структура твердого сплава представляет собой чистую эвтектику. Сплав, состоящий из 80% свинца и 20% сурьмы (рис. 17, е), при температурах выше 280° находится в жидком состоянии. При охлаждении сплава до температуры 280° из него начинают выделяться кристаллы твердой сурьмы, причем этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока оставшийся жидкий сплав не примет эвтектического состава. При температуре 246° весь сплав затвердевает. Структура затвердевшего сплава будет состоять из кристаллов сурьмы и эвтектики. Сплав, состоящий из 60о/0 свинца и 40о/0 сурьмы (рис. 17, ж), выше температуры 395° Находится в жидком состоянии. При температуре 395° начинается процесс кристаллизации с выделением из жидкого раствора кристаллов избыточной сурьмы. По достижении эвтектического состава- (87о/0 свинца и 13% сурьмы) при температуре 246° весь сплав переходит в твердое состояние, образуя структуру, состоящую из кристаллов сурьмы и эвтектики.
|
|
|
Сплав, состоящий из 20% свинца и 80% сурьмы (рис. 17, з), находится в жидком состоянии выше температуры 570°. При температуре 570° начинается процесс выделения из жидкого сплава кристаллов избыточной сурьмы. По достижении эвтектического состава при температуре 246° весь сплав переходит в твердое состояние. Структура сплава состоит из кристаллов сурьмы и эвтектики. Приведенные наблюдения показывают, что все сплавы свинца с сурьмой, в которых содержание свинца меньше 87о/0, содержат избыток сурьмы и при охлаждении будут стремиться выделить этот избыток в процессе кристаллизации в виде твердых кристаллов сурьмы, чтобы при температуре 246° образовать эвтектику. Чем больше будет сурьмы в сплаве, тем при более высокой температуре начнет выделяться из него при охлаждении избыточная (против 13<>/0) сурьма. Сплавы свинца с сурьмой при наличии в них избыточной сурьмы образуют в твердом состоянии структуру, состоящую из кристаллов сурьмы и эвтектики.
|
|
|
Рис. 18. Диаграмма состояния сплавов системы свинец—сурьма
Кривые охлаждения сплавов свинца и сурьмы с различным процентным содержанием Компонентов можно объединить в одну диаграмму состояния сплавов свинца с сурьмой. Для этого на горизонтальной оси (рис. 18) отложим содержание свинца и сурьмы в испытанных сплавах. Через точки, соответствующие 100% сурьмы и 100% свинца, проведем вертикальные прямые линии, на которых отложим температуры от 0 до 700°. Через точки, отвечающие составам испытанных сплавов, проведем пунктиром вертикальные линии. После этого переносим с кривых охлаждения критические точки на вертикальные линии диаграммы. Критическую точку чистого свинца (327°) обозначим буквой А, а критическую точку чистой сурьмы (630°) буквой С. Как известно из предыдущих наблюдений, каждый сплав имеет две критические точки, кроме эвтектического сплава. Критическую температуру эвтектического сплава обозначим буквой В. Соединим точки А и С плавными кривыми с точкой В так, чтобы кривые проходили через все верхние критические точки. Через все нижние критические точки проведем прямую линию, которая пройдет и через точку В, и обозначим ее левый конец буквой D, а правый конец буквой Е. Верхние критические точки являются точками начала затвердевания сплавов, а нижние критические точки — точками конца затвердевания сплавов. Линия ABC диаграммы называется линией ликвидуса (от латинского слова жидкий). Выше линии ABC все сплавы свинца и сурьмы находятся в жидком состоянии. Линия DBE называется линией солидуса (от латинского слова «твердый»). Ниже линии DBE все сплавы свинца с сурьмой находятся в твердом состоянии, причем ниже линии DB они будут состоять из кристаллов свинца и эвтектики и называются доэвтектическими, ниже точки В — из чистой эвтектики (так называемые эвтектические) и ниже линии BE — из кристаллов сурьмы и эвтектики (заэвтектические).
Правило фаз (закон Гиббса32) описывается уравнением: С = К – Ф + 2, где
С– число степеней свободы системы – число внутренних (концентрация) и внешних факторов (температура и давление), которое можно изменять без изменения числа фаз в системе;
К– число компонентов (химических элементов), образующих систему. Иногда в качестве компонентов удобно использовать не химические элементы, а их соединения, например,Fe3C, тогда их называют псевдокомпонентами;
Ф– число фаз, находящихся в равновесии;
2– число внешних факторов (температура и давление).
Многие металлургические процессы проходят при постоянном давлении, чаще всего, атмосферном. В этом случае правило фаз упрощается: С = К – Ф + 1.
Продемонстрируем применение правила фаз для объяснения различного поведения кривых охлаждения чистых компонентов и сплавов на рис. 24.1а, приняв давление постоянным.
На кривой охлаждения А имеется 3 участка:
на участке А–tАсуществует только однокомпонентная жидкость, поэтомуС=1–1+1=1, т.е. существует одна степень свободы, которая реализуется на снижение температуры;
-при температуре кристаллизации tАв равновесии находятся жидкая и твердая фазы, поэтомуС=1–2+1=0и система не может изменять температуру пока вся жидкость не затвердеет, т.е. не станет однофазной;
-при температуре ниже tАсуществует только одна твердая фаза, поэтомуС=1–1+1=1и система получает возможность дальнейшего охлаждения до комнатной температуры.
На кривой охлаждения 1также имеется 3 участка:
-на участке 1–t1существует только двухкомпонентная жидкость, поэтомуС=2–1+1=2, т.е. существует две степени свободы, одна из которых реализуется на снижение температуры;
-на участке t1–t2в равновесии находятся жидкая и твердая фазы переменного состава, поэтомуС=2–2+1=1и система может продолжать кристаллизоваться с одновременным снижением температуры;
-при температуре ниже t2существует только одна твердая фаза, поэтомуС=2–1+1=2и полученный сплав компонентовАиВимеет возможность дальнейшего охлаждения до комнатной температуры.
Правило отрезков (правило рычага)позволяет определить химический состав фаз, находящихся в равновесии и соотношение между этими фазами.
Рассмотрим охлаждение двухкомпонентного сплава, содержащего 25 % В + 75 %А, – см. сечениеК на рисунке.
Чтобы определить химический состав в любой точке адвухфазной области необходимо через выбранную точкуапровести горизонталь до пересечения с ближайшими сплошными линиями диаграммы состояния. Такая горизонталь называетсяконода. Точка пересечения коноды с линией ликвидуса (AmB)bхарактеризует состав жидкой фазы; точка пересечения с линией солидуса (AnB)cхарактеризует состав твердой фазы; т.е. в точкеaв термодинамическом равновесии сосуществуют жидкость, содержащая примерно 10 %В + 90 %А, и твердая фаза, содержащая 45 %В + 55 %А.
Относительное содержание жидкой и твердой фаз характеризуется противолежащими к ним отрезками: жидкая характеризуется отрезком ac, а твердая –ba, поэтому отношение жидкой к твердой фазе выражается дробью:ж/тв=ac/ba. Отрезокbсхарактеризует все 100 % сплава, поэтому доля жидкой фазы равна:ж/(ж+тв)=ac/bc, а твердой –тв/(ж+тв)=ba/bc.
Из правила отрезков также следует, что по мере охлаждения химический состав твердой и жидкой фазы непрерывно изменяются. Так, например, в точке 1, отвечающей началу кристаллизации, в равновесии находятся жидкая фаза, содержащая примерно 25 %В + 75 %А, и зародыши твердой фазы, содержащие 70 %В + 30 %А; а в точке2, отвечающей окончанию кристаллизации, в равновесии находятся остатки жидкой фазы, содержащие 5 %В + 95 %А, и твердая фаза, содержащая примерно 25 %В + 75 %А.
Таким образом, первые порции образующейся твердой фазы обогащены более тугоплавким компонентом. Однако при очень медленном охлаждении процессы диффузии в жидкой и твердой фазах (объемная диффузия), а также процессы взаимной диффузии между ними (межфазная диффузия) успевают за процессом кристаллизации, поэтому состав кристаллов по всему объему затвердевшего сплава выравнивается.
Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 8868; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!