1097
.pdfтояния горизонтальная плоскость при 600 °С не пересекает, поэтому других кривых и прямых на плоскости изотермического разреза не
будет.
С понижением температуры до 500 С (см. рис. 73, б) на плоскости изотермического разреза произойдут значительные изменения. Умень шат свои размеры двухфазные области Ж + а и Ж + ft ограниченные изотермами ликвидуса и солидуса у с 4 и xCg, yd 4 и zdg, а также область жидких растворов Ж, ограниченная изотермами ликвидуса у с 4 и y d * Появится новая трехфазная область Ж + а + ft (конодный треугольник xyz), в сплавах которой зафиксируется эвтектическое равновесие жидкости Жу с ах- и (^-кристаллами. Наконец, появится новая двухфаз ная область а + ft, ограниченная изотермами растворимости
и bj,z.
Малые стороны ху и yz конодного треугольника xyz представляют собой следы от сечения горизонтальной плоскостью разреза линейча тых поверхностей начала кристаллизации эвтектики а + ft (области aeje2c и beteyj), а большая сторона хг - след от сечения линейчатой поверхности конца кристаллизации этой эвтектики (область abdc). Очевидно, что следы от сечения этих поверхностей всегда прямолиней ны, так как являются конодами.
Отмеченную особенность изотермического разреза при 500 °С можно сформулировать в виде общего правила: трехфазные области на изотермических разрезах всегда ограничены прямыми линиями, т.е. сторонами соответствующих конодных треугольников.
Кривые ха 2 и zb2 представляют собой следы от сечения поверх ностей сольвуса (соответственно области a хасс х и b tbdd х). Начинаясь в точках х и z на политермах максимальной растворимости ас и bd, эти изотермы заканчиваются в точках а 2 и Ь2 на кривых сольвуса в двойной системе А - В.
Нетрудно представить, что на изотермическом разрезе при 20 °С будут представлены только следы от сечения двух поверхностей
сольвуса - изотермы |
растворимости а хс х и b td lf ограничивающие |
двухфазную область а + |
р. |
Правильность построения изотермических разрезов можно контро лировать с помощью правил о соприкасающихся пространствах сос тояния и числе фаз в этих пространствах (т.е. фазовых областях) (см. §58).
Характер (кривизна) различных кривых на изотермических разрезах определяется характером соответствующих поверхностей в прост ранственной диаграмме состояния (см. рис. 68). Обычно изотермы поверхностей ликвидуса своей выпуклостью обращены в сторону об ласти жидких растворов (например, кривые е хс 2 и e xd2 на рис. 73, а), а изотермы поверхностей солидуса и сольвуса - наоборот, в сторону
областей граничных а- и p-растворов (например, кривые хс5 и zd5,
а2х и b2z на рис. 73, б).
Построенные изотермические разрезы характеризуют фазовые равновесия в любом тройном сплаве. Например, при 500 °С (см. рис. 73 , б) сплав 1 однофазен и состоит из a-кристаллов (их состав совпадает с составом сплава), сплав 2 состоит из а Х|" и Pz-кристаллов, доли которых измеряются отношениями отрезков 2z1/ x 1zi и 2x1/x l zv сплав 3 (как и остальные сплавы трехфазной области Ж + ос + Р) - из жидкости Жу и а*- и Pzкристаллов, доли которых можно оценить с помощью правила центра тяжести треугольника (см. выше), и т.д.
4. Политермические разрезы
Как и изотермические разрезы, политермические разрезы анали зируемой системы можно строить с помощью ее проекции, однако для этого, необходимо знать, в какие области на плоскости концентра ционного треугольника проектируются различные поверхности прост ранственной диаграммы состояния.
Во избежание ошибок политермические разрезы также будем стро ить поэтапно. Основные этапы построения любого политермического разреза включают:
а) деление разреза с помощью характерных сплавов на отдельные участки. Характерные сплавы - это точки пересечения линии разреза с проекциями различных кривых на плоскости концентрационного треугольника. На политермическом разрезе может и не быть таких сплавов, тогда этот этап выпадает. Сплавы каждого выделенного участка имеют свои особенности кристаллизации и фазовых превра щений в твердом состоянии (см. ниже);
б) построение кривой ликвидуса (т.е. следов от сечения вертикаль ной плоскостью разреза поверхностей начала кристаллизации гранич ных а- и р-растворов);
в) построение кривой солидуса (т.е. следов от сечения вертикаль ной плоскостью разреза поверхностей конца кристаллизации граничных а- и p-растворов и линейчатой поверхности конца кристаллизации эв тектики а + р);
г) построение промежуточных кривых между кривыми ликвидуса и солидуса (т.е. кривых начала кристаллизации эвтектики а + р или следов от сечения вертикальной плоскостью разреза линейчатых по верхностей начала ее кристаллизации);
д) наконец, построение кривых сольвуса (т.е. следов от сечения вертикальной плоскостью разреза поверхностей переменной раство римости компонентов в твердом состоянии).
Если линия политермического разреза на плоскости концентраци-
132
онного треугольника пересекает не все области и их границы, то задача построения такого разреза, естественно, упрощается.
Рекомендуемую методику продемонстрируем на примере построе ния политермического разреза Ар (рис. 74). Его ликвидус состоит из двух кривых А З и 3 р', отвечающих температурам начала кристал лизации а- и Р-растворов (на участках А - 3 и 3 - р разрез происходит в областях Ае1е2С и Bet e2 первичной кристаллизации этих растворов, т.е. пересекает их поверхности ликвидуса). Солидус разреза изобра жается тремя кривыми, две из которых - А 2 и 4 fj - отвечают тем пературам конца кристаллизации а- и р-растворов, а третья - 2 4 - температурам конца кристаллизации эвтектики а + р . Все три кривые солидуса представляют собой следы от сечения соответствующих поверхностей солидуса в пространственной диаграмме (на плоскости концентрационного треугольника - это области АасС, Bbd и abdc). Аналогично, кривые 2'3' и З'А' - это следы от сечения линейчатых поверхностей начала кристаллизации эвтектики а + Р, которые на плос
кость |
концентрационного треугольника проектируются в области |
а е ^ с |
и be1e2d. |
Заметим, что точки 2', 3' и 4' на политермическом разрезе Ар обычно
располагаются |
при разных температурах. В частном случае точки |
|
2 ' и |
3' могут |
оказаться при одной температуре, тогда на участке |
2 - 3 |
след от сечения линейчатой поверхности начала кристаллизации |
|
эвтектики а + |
Р изобразит горизонтальный отрезок 2'3', поскольку |
|
политермический разрез будет проходить через одну из конод, обра зующих эту линейчатую поверхность.
Кривые 2'1 и 4'р2 на разрезе Ар - это следы от сечения вертикальной плоскости разреза двух поверхностей сольвуса, которые на плоскость концентрационного треугольника проектируются соответственно в области а 1асс1 и b1bdd1. Поясним, почему кривая сольвуса 4'р2 за-
канчивается в точке р2 (на ординате двойного сплава р) не при комнат ной, а более высокой температуре. Кривая ограниченной раствори мости компонента С в компоненте В на плоскости концентрационного треугольника изображается отрезком ddv причем точка d находится при температуре tei а точка dt - при комнатной температуре. Отсюда следует, что точка р2 на этой кривой (или на ординате сплава р, что одно и то же) должна находиться при температуре более высокой, чем комнатная температура (но ниже (в2)-
Все кривые на политермическом разрезе Ар носят плавный харак тер и не имеют каких-либо точек экстремума. Если бы вертикальная плоскость этого разреза проходила через одну из конод, образующих линейчатую поверхность начала кристаллизации эвтектики а + р, то кривую 2'3' (или след от сечения этой поверхности) следовало бы изобразить горизонтальным отрезком 2'3', поскольку точки 2' и 3' оказались бы при одной температуре (см. выше).
Характер (кривизна) различных кривых на политермических раз резах определяется характером соответствующих поверхностей в пространственной диаграмме состояния (см. рис. 68).
Политермические разрезы не следует, как это иногда делают, отождествлять со структурными диаграммами, т.е. наносить на них не фазовый состав сплавов, а их структурные составляющие. На поли термических разрезах указывают лишь фазы, присутствующие в раз ных сплавах при различных температурах, а эти фазы могут входить в состав разных структурных составляющих. Например, сплавы участ ка 1 - р (см. рис. 74, б) в твердом состоянии содержат две о- и р-фазы, но разные структурные составляющие: первичные а- или Р-кристаллы, эвтектику а + р и вторичные Р- или а-кристаллы.
Для проверки правильности построения политермического разреза необходимо: а) проследить за фазовыми превращениями в отдельных сплавах и сопоставить число и природу критических точек с данными разреза; если разрез построен без ошибок, то не должно быть проти воречий; б) использовать для проверки правила о соприкасающихся пространствах состояния и числе фаз в этих пространствах (см. § 58).
§39. Диаграмма состояния системы
смоновариантным перитектическим равновесием
1.Диаграмма состояния
Тройная система А - В - С с моновариантным перитектическим равновесием Ж + р — а (рис. 75) несколько отличается от предыдущей системы с эвтектическим равновесием Ж - а + р (см. рис. 68). Эти отличия связаны с тем, что она ограничена двумя двойными система ми А - В и 8 - С перитектического типа и системой А - С с непрерыв
ными рядами жидких и твердых «-растворов. Как и прежде, граничный раствор на основе компонента В обозначен как р
Температурам начала кристаллизации а- и p-растворов отвечают поверхности ликвидуса A 'p ’j) '2C' и В 'р\р'2, пересекающиеся по пери-
тектической кривой р \р '2 (на плоскости концентрационного |
треуголь |
||||
ника - области A p tp 2C, |
B pjp2 и кривая p tp 2), |
а температурам конца |
|||
их кристаллизации - |
соответственно поверхности солидуса А 'а 'с'С ' и |
||||
8 'b'd' (области АасС |
и |
Bbd). Перитектическая |
кривая P jp '2 |
и кривые |
|
а 'с' и b'd' изображают |
переменные составы |
жидкости и |
граничных |
||
а- и p-растворов, участвующих в перитектическом |
равновесии Ж + |
||||
+ Р — а. |
|
|
|
|
|
Между поверхностями ликвидуса Р- и солидуса |
а-раствора распо |
||||
лагаются три промежуточные линейчатые поверхности, отвечающие
температурам начала (поверхность |
p \b 'd ’p'2) и |
конца (поверхности |
|
р \а 'с'р '2 и a 'b ’d 'c ') перитектической |
реакции Ж + |
р -*■ а. Названные |
|
поверхности проектируются соответственно в области Pjbdp^ |
р 1аср2 |
||
и abda В сплавах области abdc перитектическая реакция Ж + |
р -* а |
||
заканчивается исчезновением жидкой фазы (т.е. с остатком первичных p-кристаллов), поэтому линей
чатая поверхность a'b'd"с' яв ляется третьей поверхностью солидуса (см. выше). Наобо рот, в сплавах области р1аср2 перитектическая реакция Ж + + р -* а заканчивается исчез новением первичных р-кристал- лов; из оставшейся жидкости продолжают выпадать а-крис- таллы и сплавы заканчивают кристаллизацию на поверхности солидуса А 'а 'с' С
Рис. 75
Все три линейчатые поверхности можно получить, если перитектнческую горизонталь р \Ь ' и ее части р \а ’ и а'Ь' (двойная система А - В) перемещать в сторону более низких температур до положения второй горизонтали p'2d' и ее частей р'2с ’ и c'd ' (система В - С) так, чтобы концы этих отрезков (конод) скользили по кривым р\р'у а 'с'
и b’d', а сами отрезки оставались параллельными плоскости концент рационного треугольника. В резуьтате такого перемещения в прост ранственной диаграмме состояния образуется трехфазный объем Ж + ос+ (3, ограниченный линейчатыми поверхностями. Если этот объем рассечь несколькими горизонтальными плоскостями, то в сечениях получится несколько конодных треугольников (три из них показаны на
рис. 75 пунктиром). |
|
Что касается кривых а 'с' и а ^ , |
b'd' и b td t и проходящих через них |
поверхностей а ^ 'с '^ и b1b'd'dv |
то они имеют тот же физический |
смысл, что и аналогичные кривые и поверхности в предыдущей систе ме А - В - С с моновариантным эвтектическим равновесием Ж -
—ос+ Р(см. рис. 68).
2.Фазовые превращения в сплавах
Сплавы, расположенные в областях A ptp 2C и В Ь ^ (рис. 76, а), кристаллизуются как а- и (3-растворы, в твердом состоянии не претер певают фазовых превращений и имеют на кривых охлаждения по две критические точки.
Сплавы области bjbddj также заканчивают кристаллизацию как (3-растворы, но в результате вторичной кристаллизации становятся двухфазными Р + а. На кривых охлаждения эти сплавы имеют по три
критические точки. Например, фазовые превращения в сплаве 1 можно tl —t y
записать в две стадии Ж i _ у -------” р z _ \ (первичная кристаллизация) и р 1 _ Zj -— комн >ах _ Xi (вторичная кристаллизация). Перед началом
с
в
Рис. 76
136
я-кристаллов - соответственно по кривой ас в направлении от точки х 3 к точке х 5.
Пользуясь правилом центра треугольника, можно при любой |
тем |
|
пературе в интервале fy3 - ty |
найти доли каждой из фаз, участвующих |
|
в перитектической реакции. |
Пусть при температуре iyt составы |
жид |
кости, р- и я-кристаллов изображаются точками у 4, z4 и х 4, а перитек-
тическое равновесие этих |
фаз — конодным треугольником x 4y 4z4 |
(рис. 78). Центром тяжести этого треугольника является фигуративная |
|
точка нашего сплава. Доля |
жидкости ЖУ4 определится отношением |
отрезков 2к/ку4, |
(^-кристаллов - отношением 2 m/mz4 и яХ4-кристал- |
|
лов - |
отношением 2л/пх4. Нетрудно видеть, что перитектическая ре |
|
акция |
Ж + Р -* |
я сопровождается уменьшением долей жидкости |
(2к/ку4 < 2z3/y 3z3) и ^кристаллов (2 m/mz4 < 2y3/ y 3z3) и, наоборот, увеличением доли я-кристаллов (2 п/пх4 > 0).
Согласно правилу центра тяжести треугольника, перитектическая
реакция Ж + |
р - я в сплаве 2 закончится, когда малая сторона x szs |
последнего |
конодного треугольника x sy szs окажется проходящей |
через фигуративную точку сплава (см. рис. 76, а). В этот момент в спла
ве исчезает жидкость ЖУз и в равновесии остаются |
яХ5- и (^'кристал |
|||||
лы, доли которых |
можно |
измерить |
отношениями |
отрезков |
2 zs/x szs |
|
и 2x s/x szs. |
|
|
|
|
|
|
При дальнейшем |
понижении температуры |
в сплаве 2 |
протекает |
|||
вторичная кристаллизация |
яХ5 _ Хб |
*х5 - *комн |
PZs _ г#. Кривые х 5х6 |
|||
,--------? |
||||||
и z5z6, по которым изменяются составы я- и P-кристаллов при охлаж дении до комнатной температуры, располагаются соответственно в областях a ^ c C i и b1bdd1. При комнатной температуре состав всех я-кристаллов (перитектического происхождения и вторичных) опреде лится точкой х 6, а P-кристаллов (первичных и вторичных) - точкой z6. Доли всех яХб- и Р2б-кристаллов можно оценить отношениями от резков 2 z6/x 6z6 и 2 x 6/ x 6z6.
Кривая охлаждения сплава 2 с тремя критическими точками пока зана на рис. 77. В структуре этого сплава будут видны первичные Р* и я-кристаллы, образовавшиеся по перитектической реакции (см.
рис. 18), а также вторичные я- и р-крис- таллы, если они выделились внутри этих кристаллов, а не на их поверхности как1на подложке.
Если фигуративная точка сплава находится на политерме макси мальной растворимости ас, как, например, сплава 3 (см. рис. 76, б), то перитектическая реакция Ж + Р' -* а в таком сплаве заканчивается одновременным исчезновением жидкости Жу? и Рг,-кристаллов. По окончании перитектической реакции сразу начинается выделение вторичных Р- из образовавшихся ot-кристаллов. Фазовые превращения
в этом сплаве можно записать в три стадии: Ж3 _ Уе (з ~ Ve
|
т |
Ve - V? |
о И (Хо_у |
У д ~ 1КОМН |
. |
7 |
. На |
|
Жу/в _/оу + Р2е-О |
---------- |
------------- и, |
||||||
29 |
|
Л8 j |
О Хю |
tР;' |
- |
Zl0 |
|
|
|
|
|
|
|
Z g |
|
|
|
кривом охлаждения сплав 3 также имеет три критические точки (см. рис. 77), а в структуре - две структурные составляющие: а-кристаллы,
образовавшиеся |
по перитектической реакции, и |
выделившиеся |
из |
|||
них вторичные Р-кристаллы. |
|
|
|
|
||
Фазовые превращения в сплаве 4 из области |
(см. рис. 76, б) |
|||||
напоминают превращения в предыдущих сплавах |
2 и 3. Первичную |
|||||
|
|
|
|
U |
- |
t, |
кристаллизацию в этом сплаве можно записать как Ж4 _ У12 |
|
'Ун |
||||
|
|
|||||
U ~ *У12 |
a |
ziz> а перитектическую реакцию - |
как |
w |
У1Э |
|
----------?• |
Pzn - |
Жу12 |
||||
+ PZl2 - z t3 |
Vl2 |
Vl3 |
|
и 3, перитек |
||
|
axi2 - Xi3 B отличие от сплавов 2 |
|||||
тическая реакция в сплаве 4 заканчивается исчезновением Рг13-крис: таллов. Фигуративная точка сплава в ходе этого превращения "пере мещается” с большой стороны y 12z 12 первого конодного треугольника х j аУ 1 г* 1 2 на малую сторону х хзУ1эпоследнего треугольника х хзУj 3Z х3 По окончании перитектической реакции в сплаве 4 остается жидкость ЖУ1Эи образовавшиеся aX l-кристаллы, доли которых измеряются от ношениями отрезков 4 x 13/ x 13y 13H 4 y 13/ x 13y 13.
При дальнейшем понижении температуры из оставшейся жидкости
продолжают выпадать «-кристаллы: ЖУ1Э _ |
У 13 |
У 14 |
Xis — |
У14 |
-> |
Кристаллизация сплава 4 закончится в тот момент, когда все «-крис таллы примут состав точки 4 (т.е. исходного сплава), а состав исче зающей жидкости определится точкой у 14(в области A p j> fi). Далее в интервале температур между поверхностями солидуса и сольвуса (поверхности А а с 'С 'и а ха 'с 'с х на рис. 75) наблюдается простое ох лаждение «-кристаллов, а при охлаждении ниже поверхности сольвуса
в сплаве протекает вторичная кристаллизация: а4 _ |
х |
V ' - V O M H |
------------ * |
||
V OMH |
при |
комнатной |
----------- >■ Pz14 - zlS Доля вторичных pZ l-кристаллов |
температуре определится отношением отрезков 4 xls/ x lsz ls> а основы сплава, т.е. аХ15-кристаллов - отношением 4zls/x lsz ls.
Таким образом, в сплаве 4 протекают все фазовые превращения, возможные в рассматриваемой системе. На его кривой охлаждения
видны пять критических точек (см. рис. 77). По структуре этот сплав принципиально не отличается от предыдущего сплава 3.
Если фигуративная точка сплава находится в области p ^ a ^ jj^ как, например, сплава 5 (см. рис. 76, б), то такой сплав кристаллизуется аналогично сплаву 4, но в твердом состоянии не претерпевает фазовых превращений. Следовательно, число критических точек у сплава 5 будет на одну меньше, чем у сплава 4 (см. рис. 77), а по структуре - это граничный а-раствор. Наконец, если фигуративная точка сплава располагается на перитектической кривой p j} ^ как, например, сплава 6, то такой сплав кристаллизуется в интервале температур как твердый а-раствор (для протекания перитектической реакции Ж + Р -*• а в сплаве нет P-кристаллов) и на кривой охлаждения имеет две критические точки (см. рис. 77).
Изотермические и политермические разрезы этой системы принци пиально не отличаются от разрезов предыдущей системы с моновариантным эвтектическим равновесием (см. рис. 73 и 74).
Глава 11. ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СИСТЕМ С БИ-.МОНО- И НОНВАРИАНТНЫМИ РАВНОВЕСИЯМИ
Как отмечено в гл. 8 (см. § 33), нонвариантное равновесие в тройной системе - это равновесие четырех различных фаз. Ниже рассмотрены две тройные системы с наиболее распространенными четырехфазными равновесиями - эвтектическим и перитектическим. О тройных систе мах с четырехфазными равновесиями других типов см. в гл. 13 и 14.
§40. Диаграмма состояния системы
снонвариантным эвтектическим равновесием
1. Диаграмма состояния
Тройная система А - В - С с нонвариантным эвтектическим равно весием ограничена тремя аналогичными двойными системами А - В, В - С и А - С эвтектического типа (рис. 79). Граничные а-, Р- и у-раст- воры на основе компонентов участвуют в бивариантных равновесиях Ж ~ а , Ж ^ Р и Ж — у, моновариантных эвтектических равновесиях Ж ^ а + р , Ж ^ а + у и Ж — р + у и , наконец, в нонвариантном эвтек-
тическом равновесии Же j=t аа + рь + ус .
По числу граничных растворов можно назвать три поверхности ликвидуса A 'e'jE 'e'v B'e'jE'e'3 и С 'е ^'е 3, которые проектируются в области первичной кристаллизации А е хЕе2, В е £ е 3 и С ехЕе3. Назван ные поверхности пересекаются по трем эвтектическим кривым е^Е', e'jE' и е'зЕ', а эти кривые сходятся в эвтектической точке Е' (на плос