Главная > Разное > Диаграммы равновесия металлических систем
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

Часть IV. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИВЫХ СОЛИДУС

ГЛАВА 19. ВЫБОР МЕТОДА

Сначала мы опишем экспериментальные методы определения линии солвдус в бинарных системах, а затем (см. главу 31) рассмотрим дополнительные трудности, встречающиеся при исследовании тройных и более сложных сплавов. Для нахождения линии солидус наиболее часто используют микроисследование закаленных образцов и построение кривых нагрева, хотя в некоторых случаях другие методы более рациональны.

При исследовании новой системы на ряде сплавов с возрастающим содержанием одного из компонентов снимают кривые охлаждения. Конечные остановки на кривых дают первые грубые указания на форму линии солидус. По рассмотренным выше причинам этот метод дает точные результаты только в исключительных случаях; вообще же кривая солидус, определенная по конечным остановкам на кривых охлаждения располагается ниже своего истинного положения. В некоторых случаях после снятия кривой охлаждения исследуемый сплав можно некоторое время выдержать при температурах ниже линии солидус, а затем снять кривую нагрева для определения истинной температуры конца затвердевания.

Этот метод особенно удобен при работе с тугоплавкими сплавами из химически активных компонентов, так как в течение всего эксперимента можно не открывать печи. При этом необходимо следить за тем, чтобы после затвердевания слиток был выдержан достаточное время для достижения равновесного состояния. Изучаемые сплавы требуют для достижения равновесия различного времени. В связи с этим не рекомендуется снимать кривые нагрева сразу после кривых охлаждения. Следует предварительно убедиться в том, что достигнуто равновесное состояние.

По первой серии кривых охлаждения можно сделать приблизительное заключение о форме диаграммы состояния. Для сплавов, плавящихся ниже 1100°, следующим шагом исследования должно быть приготовление серии слитков для отжига и закалки. Эти слитки желательно отливать в металлические кокили. Однако слитки некоторых сплавов, отлитых в кокиль, обнаруживают заметную сегрегацию. В этих случаях необходимо использовать менее резкое охлаждение - в песочных или графитовых изложницах; но все же в первую очередь должны быть испробованы слитки, отлитые в кокиль. Слитки химически активных сплавов часто получаются более удовлетворительными при охлаждении в печи, если нет аппаратуры для отливки в вакууме или защитной атмосфере. Они должны быть гомогенизированы соответствующей термообработкой и затем закалены. Все же для некоторых хрупких сплавов, например марганцевых, закалка нежелательна, так как закалочная жидкость проникает в трещины и вызывает при последующем отжиге загрязнение. Затем часть иоследуемых образцов отжигают и закаливают с последовательно повышающихся температур. Последующее микроисследование закаленных образцов дает возможность установить температуру, при которой впервые появилась жидкость. При достаточно аккуратной работе этим методом можно установить температуру плавления твердого раствора с точностью до 5° (точность зависит от наклона кривой солидус и расстояния между линиями ликвидус и солидус). Когда обе кривые близки одна к другой и расположены почти горизонтально, точки линии солидус часто могут быть определены в пределах 2°. Перитектическая или эвтектическая горизонталь также может быть определена с этой точностью; полученная температура должна быть сравнена с положением соответствующих горизонтальных участков кривых охлаждения; таким образом судят о точности работы.

При определении этим методом горизонтальных линий диаграмм должно быть обращено внимание на то, чтобы достигалось равновесное состояние, потому что, как было показано выше, в общем случае равновесный состав фаз в двухфазном сплаве зависит от температуры.

Микроанализ наиболее рационален для сплавов, которые могут быть отожжены в маленьких закрытых трубках. Этот метод экономичен с точки зрения расхода материала и имеет то преимущество, что под микроскопом при неоднородном составе сплава может быть исследовано все сечение закаленного образца.

Температуры линии солидус, определенные микроскопическим методом, имеют общую тенденцию к некоторому завышению.

Это происходит потому, что трудно уловить первые признаки появления жидкой фазы.

В некоторых сплавах превращения в твердом состоянии (например, эвтектоидный распад) происходят так быстро, что не могут быть предотвращены самой резкой закалкой. Полученная в результате распада мелкая структура может сделать невозможным определение первых следов закаленной жидкости. Это относится, в частности, к области -фазы некоторых медных и серебряных сплавов; для них линия солидус может быть определена более точно методом кривых нагрева. Независимо от усложнений, возникающих при структурах распада, метод кривых нагрева по сравнению с методом микроанализа становится более рациональным, если исследуемые температуры превышают 1200° — наиболее высокую температуру, при которой образцы могут быть помещены в откаченные кварцевые ампулы. При более высоких температурах выбор метода работы для каждой данной системы сплавов определяется в основном летучестью и химической активностью составляющих компонентов. Было описано много конструкций для отжига образцов из малоактивных и нелетучих сплавов до 1600° при точно контролируемой температуре. Однако до сих пор метод запаивания образцов в ампулы не применяется, так как пока не известны трубочки, которые могли бы выдержать такую высокую температуру. Серьезные трудности часто возникают из-за летучести, это связано с возможным изменением состава образца и быстрым выходом трубок печи из строя.

При температурах выше 1600° почти все огнеупоры становятся проницаемыми для кислорода и азота, и в этих условиях очень трудно предохранить образец от загрязнения. Образцы малых размеров, обычно используемые при микроскопическом методе исследования, с точки зрения загрязнений применять нерационально. Поэтому при самых высоких температурах следует пользоваться только методом построения кривых нагрева.

При определении линии солидус методом кривых нагрева следует иметь в виду приведенные выше аргументы. Так, если диаграмма состояния имеет форму, показанную на рис. 106, то при работе методом построения кривых нагрева наклон линий границ областей будет препятствовать получению точных данных для перитектической горизонтали в двухфазной области. Перитектическая горизонталь

может быть определена только по данным кривых охлаждения. Для сплавов составов или метод построения кривых нагрева может быть применен с соответствующими предосторожностями: образец должен быть достаточное время выдержан соответственно в гомогенной области а или перед тем, как будет снята кривая нагрева. Для сплавов состава или этот метод сравнительно прост.

Для более тщательного исследования снимать кривую нагрева обычно желательно на образце, предварительно прошедшем гомогенизацию. Однако в системе, в которой линии ликвидус и солидус близки, часто можно определять обе эти линии в течение одного опыта. С этой целью сначала снимают кривую охлаждения, по которой точка ликвидус определяется точно, а точка солидус приблизительно; затем сплав выдерживают несколько ниже линии солидус в течение времени, достаточного для выравнивания состава, после чего снимают кривую нагрева, по которой точно определяют точку солидус. При желании нагрев может быть продолжен до тех пор, пока весь сплав не станет жидким; затем снимают вторую кривую охлаждения. Сравнение ее с первой кривой охлаждения показывает, изменился ли состав в процессе эксперимента.

Рис. 106.

Если температура измерялась точно, то точки линии солидус, определенные методом кривых нагрева, имеют тенденцию к занижению. Это связано с тем, что в образце имеются участки, которые начинают плавиться при температуре более низкой, чем температура плавления металла образца в целом. Так как метод микроанализа имеет тенденцию к завышению линии солидус, то в том случае, если оба метода дают одинаковые результаты, можно считать, что они достаточно точны.

Если линия солидус спадает очень круто, метод кривых нагрева не пригоден, так как остановки будут мало заметными. Метод микроанализа образцов, нагретых до постепенно повышающихся температур, также оказывается недостаточно чувствительным, так как количество жидкости при температуре на несколько градусов выше линии солидус будет очень незначительным. В таких случаях линию солидус лучше устанавливать методом «изменения состава», т. е. отжигом при

определенной температуре ряда сплавов, несколько отличных по составу, с последующей закалкой. Микроисследованием закаленных образцов можно обнаружить, какие сплавы содержали при температуре нагрева жидкую фазу.

Кривые солидус могут быть также точно определены по изменению электропроводности образца в зависимости от температуры (см. главу 27). Преимущество этого метода в том, что при подходящих огнеупорных трубках образец может быть выдержан в течение длительного периода непосредственно ниже линии солидус и повторные измерения электропроводности дают возможность убедиться в достижении равновесного состояния перед последним замером. Однако этот метод весьма труден и может быть рекомендован только в исключительных случаях, хотя при исследовании превращений в твердом состоянии он часто неоценим.

В некоторых случаях можно определять линию солидус твердого раствора рентгеновским структурным анализом. При этом могут быть использованы два основных метода. Если сплав пригоден для исследования в высокотемпературной камере, то снимается серия рентгенограмм при последовательно повышающихся температурах. Полученная кривая зависимости периода решетки от температуры в точке солидус меняет направление. В том случае, когда кривая зависимости периода решетки от состава может быть снята при комнатной температуре, сплавы в виде опилок закаливаются из двухфазной области (твердый раствор жидкость). Полученный в результате этого закаленный сплав даст на рентгенограмме резкие линии твердого раствора, находящегося при температуре закалки в равновесии, и кроме того — размытые линии твердого раствора переменного состава, образовавшегося из жидкой фазы.

Если резкие линии достаточно интенсивны, они могут быть использованы для определения периода решетки, а отсюда состава твердой фазы при температуре закалки. Успешная работа, проведенная таким методом, описана Е. А. Оуэном [104]. Преимуществом этого метода является то, что он требует очень небольших количеств исследуемого сплава и, таким образом, пригоден для изучения редких металлов. Однако и в этом случае встречается много экспериментальных трудностей, которые будут обсуждены в главе 25, где описано применение рассматриваемого метода для определения кривых предельной растворимости в твердом состоянии.

Были сделаны попытки построения кривых солидус методом, при котором образец под нагрузкой нагревается до

повышенных температур, и начало плавления определяется по быстрому течению или разрушению образца. Пеллини и Райнс [105] описали аппарат для исследования сплавов с низкой температурой плавления, представленный из рис. 107. Он применяется для температур, которые могут быть достигнуты в масляной ванне. Эти методы нельзя считать удачными, так как обычно они дают заниженную температуру плавления. Причина такого явления точно не установлена, но возможно, что это объясняется накоплением примесей на границах зерен, в результате чего снижается температура плавления металла вблизи границ.

Аналогичный эффект, возможно, наблюдается и в так называемых «чистых металлах». Так, Зингер и Котрелл [106] нашли кажущуюся точку плавления чистейшего алюминия определенную методом нагружения на 4° ниже принятой температуры плавления чистого алюминия. Весьма возможно, что границы зерен чистого металла начинают плавиться при более низкой температуре, чем основная масса зерна.

Рис. 107. Прибор для определения температуры солидус легкоплавких сплавов: 1 —термопара; 2 — уровень масла; 3 — нагревательная обмотка; 4 — образец; 5 — изоляция; 6-груз; 7— мешалка (Пеллини и Райнс)

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление