Сплавы на основе двойных систем

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Научиться анализировать фазовые превращения при охлаждении сплавов двойных систем: твердых растворов, эвтектического типа; изображать схемы микроструктур сплавов.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Микроструктура сплава формируется в процессах кристаллизации расплава, фазовых превращений и структурных изменений в твердом состоянии, происходящих при литье, обработке давлением и термической обработке.

Несмотря на многообразие факторов, влияющих на формирование микроструктуры сплава, важнейшие ее особенности можно предсказать, используя диаграмму состояния, так как именно диаграмма состояния дает сведения о характере фазовых превращений и их последовательности при нагревании и охлаждении сплава. Вместе с тем следует помнить, что диаграмма состояния описывает фазовое состояние в равновесных условиях, а реальная структура сплава складывается во времени и в неравновесных условиях (при ускоренном охлаждении, при больших степенях пластической деформации и т.д.).

Далее приведены сведения о типичных структурах, которые необходимо знать, прежде чем приступить к изучению микростроения промышленных сплавов.

СИСТЕМА С НЕОГРАНИЧЕННОЙ РАСТВОРИМОСТЬЮ

КОМПОНЕНТОВ В ЖИДКОМ И ТВЕРДОМ СОСТОЯНИЯХ

Диаграмма состояния двойной системы с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состояниях представлена на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых полностью растворимы в жидком и твердом состоянии и кривая охлаждения сплава Х.

Верхнюю кривую на диаграмме называют линией ликвидуса. Выше этой линии все сплавы системы А-В однофазны и находятся в жидком состоянии (Ж). Нижнюю кривую диаграммы называют линией солидуса. При температурах ниже этой линии все сплавы однофазны и состоят из кристаллов α-раствора. В интервале температур между кривыми ликвидуса и солидуса, называемом интервалом кристаллизации, или интервалом плавления, все сплавы состоят из двух фаз: жидкости и кристаллов α-раствора.

Кривые ликвидуса и солидуса – это геометрическое место точек, отвечающих температурам начала и конца кристаллизации различных сплавов системы А-В. Кроме того, эти кривые отображают составы равновесных фаз (Ж и α) в различных сплавах и интервале их кристализации, т.е. изображают составы насыщенных один относительно другого жидких и твердых растворов.

Рассмотрим процесс кристаллизации сплава Х. При температуре выше t₁ (температура начала кристаллизации) этот сплав представляет собой ненасыщенный жидкий раствор. Как только температура сплава понизится с температуры t₁, жидкий раствор станет насыщенным относительно α -кристаллов и понижение температуры ниже t₁ приведет к выделению из жидкости состава точки 1 первичных кристаллов α-раствора состава точки 1´, расположенной на кривой солидуса. Составы жидкости и выпавших из нее α-кристаллов изменяются при понижении температуры от t₁ до t₂ в соответствии с кривыми ликвидуса и солидуса: жидкость – от точки 1 до точки 2´, α-кристалл – от точки 1´ до 2. Следовательно, в интервале кристаллизации в объемах сосуществующих фаз должна протекать выравнивающая диффузия. Рассмотренный процесс первичной кристаллизации сплава Х можно записать как:

При температуре конца кристаллизации (t₂) последние следы жидкой фазы (состава точки 2’) исчезнут и сплав будет состоять из α-кристаллов (состава точки 2). При охлаждении от температуры t₂ до комнатной в сплаве не происходит фазовых превращений. После равновесной кристаллизации структура сплава Х будет состоять из кристаллов твердого раствора α, состав которых соответствует составу сплава (рис. 3.4). Зерна под микроскопом могут иметь неодинаковый цвет (более темный или более светлый), т.к. в сечении шлифа попадают различные кристаллографические плоскости по-разному ориентированные в пространстве кристаллов. Аналогичную структуру будут иметь все однофазные сплавы, а также чистые компоненты. Поэтому по структуре однофазного материала после равновесной кристаллизации нельзя определить что это: сплав, раствор или чистый металл. Форма и размеры зерен не являются специфическими для того или иного сплава, а зависят от условий кристаллизации.

Рис. 3.4 Схема структуры однофазного сплава Х.

ЭВТЕКТИЧЕСКОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ

При температуре t_е в системе А-В (рис. 3.5, 3.6) протекает эвтектическое превращение

Это превращение происходит во всех сплавах, расположенных по составу между точками а и b. Горизонталь аb и точку е на этой горизонтали называют эвтектическими, а смесь кристаллов (α_а + β_b), которые выделяется из жидкости при эвтектической кристаллизации, – эвтектикой.

Кривые аа₁ и bb₁, показывающие как изменяется растворимость одного компонента в другом в твердом состоянии при понижении температур от эвтектической до комнатной, называют сольвусами α и β – твердых растворов.

Сплавы, расположенные левее точки е, называют доэвтектическими. Сплавы, расположенные правее точки е – заэвтектическими. Сплав, состава точки е, называют эвтектическим, или просто эвтектикой.

Рис. 3.5. Фазовая диаграмма состояния сплавов, компоненты которых ограничено растворимы в твердом состоянии и образуют эвтектику.

Рис. 3.6. Структурная диаграмма состояния сплавов, компоненты которых ограничено растворимы в твердом состоянии и образуют эвтектику.

Кристаллизация граничных α и β – растворов в сплавах, состав которых находится в интервале А-а₁ и В-b₁, протекает также, как сплав системы с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состояниях.

Эти сплавы однофазны, поэтому их структура аналогична структуре, представленной на рис. 3.4.

Сплавы, состав которых находится в интервалах а₁с и db₁, не претерпевают эвтектического превращения. Рассмотрим процессы фазовых превращений на примере сплава Х₁. В интервале температур t₁ – t₂ сплав Х₁ кристаллизуется как граничный α – твердый раствор, идет первичная кристаллизация.

При охлаждении от температуры t₂ до температуры t₃ в нем не протекают никакие фазовые превращения. Как только фигуративная точка сплава окажется на кривой сольвуса аа₁, граничный α – раствор состава точки 3 станет насыщенным относительно граничного твердого раствора β состава точки 3´. Поэтому при дальнейшем понижении температуры от t₃ до комнатной из α – кристаллов, изменяющих свой состав по кривой 3а₁, выделяются вторичные кристаллы β – фазы, состав которых будет изменяться по кривой 3´ b₁. Этот процесс можно записать так:

При комнатной температуре кристаллы α -фазы состава а₁ окажутся в равновесии с кристаллами β состава b₁. Доля обеих фаз по правилу рычага измеряется отношением отрезков.

x₁b₁/a₁b₁(α) и a₁x₁/a₁b₁(β)

Под микроскопом в структуре сплава Х₁ можно увидеть кристаллы двух видов: первичные кристаллы α – раствора (основа сплава) и вторичные β –кристаллы. Вторичные выделения образуются по границам и внутри зерен исходной фазы α. Вторичные выделения обычно имеют пластинчатую или иглообразную форму, иногда они имеют вид тонких прослоек или компактных частиц, располагающихся по границам первичных зерен (рис. 3.7).

В сплаве Х₁ имеются две структурные составляющие первичные кристаллы α – фазы и вторичные кристаллы β. Под структурными составляющими в сплавах понимают такие самостоятельные элементы их микроструктуры, которые при рассмотрении под микроскопом имеют свое характерное однородное строение. Для сплава Х₁ понятие «структурная составляющая» и «фаза» совпадают, поскольку каждая из его структурных составляющих – это одновременно α или β – фаза.

Рис. 3.7. Схемы структуры сплава Х₁ с вторичными выделениями пластинчатой формы (а), в виде тонких прослоек (б) или компактных частиц (в)

Более сложную структуру имеют до – и заэвтектические сплавы, в которых помимо первичных α – или β – кристаллов, выделяется эвтектика , а при охлаждении в твердом состоянии в интервале температур от tе до комнатной их α - и β - кристаллов выделяются вторичные кристаллы β - и α - кристаллы.

В заэвтектическом сплаве Х₂ процесс первичной кристаллизации пройдет по схеме:

.

Из оставшейся жидкости Ж_е выделяется эвтектика – смесь кристаллов (αа+βb), т. е. .

По окончании кристаллизации сплав Х₂ состоит из первичных кристаллов βb, эвтектики (αа+βb). Так как при эвтектической температуре сплав Х₂ состоит из кристаллов предельно насыщенных αа- и βb-растворов, а с понижением температуры взаимная растворимость компонентов в твердом состоянии уменьшается, то при охлаждении до комнатной температуры их β –кристаллов (первичных и эвтектических) будут выделяться вторичные α –кристаллы, а из эвтектических α –кристаллов – соответственно вторичные β –кристаллы.

Возможные варианты микроструктуры сплава Х₂ показаны на рис. 3.8.

а) б)

Рис. 3.8. Схемы структур заэвтектического сплава Х₂ с эвтектикой и первичными кристаллами в форме многогранников (а) и дендритов (б).

Первичные β – кристаллы могут иметь четкую огранку (рис. 3.8, а) или дендритную форму (рис. 3.8,б). Вокруг первичных β – кристаллов видна вторая структурная составляющая – эвтектика (α + β), имеющая пластинчатое или другое строение. Внутри первичных кристаллов β в небольшом количестве находится третья структурная составляющая – вторичные α –кристаллы. Выделения вторичных кристаллов в эвтектике незаметны, так как сама эвтектика достаточно дисперсная смесь двух видов кристаллов. Структура других заэвтектических сплавов аналогична разобранной. Различие состоит лишь в соотношении объемов в структурных составляющих.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Название работы.

Цель работы.

Изображение диаграмм состояния двойных систем с нанесением ординат заданных сплавов.

Кривые охлаждения этих сплавов.

Схемы микроструктур сплавов.

Выводы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

Опишите процесс первичной кристаллизации в сплавах – твердых растворах.

Какова микроструктура однофазного сплава после равновесной кристаллизации?

Как определить долю эвтектики и первичных кристаллов по диаграмме состояния?

Что такое эвтектика? Какое строение она имеет?

Какие структурные составляющие имеют до и заэвтектические сплавы?

Какова возможная форма выделений вторичных кристаллов?