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

Часть VI. ИССЛЕДОВАНИЕ ТРОЙНЫХ СИСТЕМ

ГЛАВА 29. ТРОЙНЫЕ СИСТЕМЫ. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ

Методы изображения

Для изображения диаграмм равновесия тройных систем необходима трехмерная модель: два измерения служат, чтобы показать изменение состава, а третье показывает изменение температуры. Обычно температуру откладывают по вертикальной оси; для указания же составов тройных сплавов на горизонтальной проекции применяют два метода. В одном из них применяется равносторонний треугольник (рис. 170). Если в треугольнике взять произвольную точку и опустить из нее на его стороны перпендикуляры и то сумма будет равна высоте треугольника. Поэтому, если принять, что углы представляют чистые компоненты — элементы а высота треугольника равна 100 единицам, то точка внутри треугольника представляет сплав, содержащий компонента компонента компонента С соответственно. Практически удобнее располагать шкалы вдоль сторон треугольника, как показано на рис. 171; при этом следует быть внимательным и читать шкалу в правильном направлении, так как легко допустить ошибку. Когда рассматриваются все составы системы, такой метод изображения наиболее удобен.

Для получения всей тройной диаграммы равновесия бумагу изображением концентрационного треугольника кладут на

Рис. 170

Рис. 171

горизонтальное основание, от которого вертикально идут проволочки с нанесенной шкалой температур. Точки диаграммы (например, точки ликвидус) могут быть представлены маленькими шариками, привязанными на соответствующее место нитками. Кроме того, точки различных поверхностей модели могут быть изображены концами вертикальных проволочек определенной длины; к ним, чтобы показать кривизну поверхностей, могут быть припаяны другие проволочки.

Рис. 172. Трехмерная модель диаграммы равновесия системы (Гансон и Гейлер)

Пример такой модели (рис. 172) взят из работы Хансона и Гейлер а [196]. На модели представлена часть тройной системы Левый угол модели представляет чистый алюминий, передняя сторона — двойную систему а левая грань — двойную систему

Преимущество метода треугольника для изображения тройной системы заключается в том, что в этом случае процент каждого элемента может быть определен непосредственно. Например, чтобы найти содержание компонента С, нет необходимости

складывать содержание затем вычитать это из 100. Если работают со сплавами металла А, содержащими относительно малые количества компонентов часто бывает удобнее пользоваться прямоугольным треугольником (рис. 173). Точка О представляет чистый компонент А, а содержание можно определить на обычной прямоугольной миллиметровке. В этом случае содержание А определяется не непосредственно, а вычитанием суммы из 100; несмотря на это, метод имеет то преимущество, что некоторые геометрические зависимости видны в данном случае более ясно. Другое преимущество этого метода состоит в том, что там, где исследование тройной системы является первым шагом в изучении четвертой системы такую диаграмму, как на на рис. 173, можно непосредственно сравнивать с рядом диаграмм, содержащих постоянное количество компонента

Рис. 173

Какой бы тип треугольника ни был выбран для выражения состава сплавов, вся трехмерная модель будет представлять собой прямую призму, гранями которой будут три бинарные системы. Если в качестве концентрационного треугольника применяется равносторонний треугольник (см. рис. 171), то линия будет представлять собой ряд сплавов с переменным содержанием компонентов не содержащих С, и на грани призмы, идущей от будет видно влияние температуры на структуру сплавов металлов и следовательно, эта грань представляет собой диаграмму равновесия бинарной системы Остальные две грани призмы также представляют собой диаграммы равновесия бинарных систем и (все три бинарные системы представлены в одном масштабе). Если применяется прямоугольный треугольник (см. рис. 173), то вертикальные грани призмы, идущие из и представляют собой бинарные системы и в одинаковом масштабе, в то время как грань, идущая от линии представляет собой бинарную систему в другом масштабе, так что этот метод неудобен при рассмотрении всей системы

Изотермические сечения

Полная диаграмма равновесия тройной системы может быть изображена только трехмерной моделью, Такие модели

громоздки, неудобны в работе, и почти во всех случаях их трудно привести к перспективной или другой двухмерной диаграмме. Поэтому результаты работы по тройным диаграммам выражаются горизонтальными или изотермическими сечениями трехмерной модели, которые обычно представляют наибольший интерес.

В качестве примера рассмотрим систему в которой двойные системы относятся к простому эвтектическому типу с ограниченной растворимостью каждого металла в твердом состоянии.

Рис. 174

Рис. 175

На рис. 174 показана треугольная призма, применяема для трехмерной модели тройной системы с диаграммами для двойных систем нанесенными на двух вертикальных гранях призмы. Система для простоты опущена.

В бинарных системах линии и являются линиями ликвидуса твердого раствора (растворитель — компонент А), а точка эвтектической точкой, указывающей состав жидкости, находящейся в равновесии с обоими твердыми растворами в компонентах в то время как точка соответствует эвтектической точке системы Для краткости будем обозначать твердые растворы в компонентах соответственно

В тройной системе на одну степень свободы больше, чем в бинарной. Таким образом, ликвидус,

соответствующий выпадению твердого А, представляет собой поверхность вместо линии в бинарной системе и такие же поверхности ликвидус соответствуют выделению твердых растворов

Эвтектические точки которые в бинарной системе являются безвариантными точками, на пересечении поверхностей ликвидус становятся линиями и

Рис. 176

На рис. 175 представлена общая форма поверхностей ликвидус в части тройной диаграммы.

Таким же образом линии солидус и бинарных систем превращаются в тройной системе в поверхности солидус. Поверхность показана на рис. 176; ее можно представить себе расположенной под поверхностью ликвидус на рис. 175. Двухфазная система (твердая фаза жидкость) в тройной системе двухварианта, и если мы выбираем температуру (см. рис. 176), то можем, оставаясь в пределах области между поверхностями ликвидус и солидус, изменять состав жидкой фазы; однако, если выбран состав жидкой фазы, то состав твердой фазы, в равновесии с которой она находится, оказывается определенным. Каждый состав жидкости

на изотермической линии находится в равновесии с твердым раствором А определенного состава и мы можем соединить точки, представляющие составы равновесных жидкой и твердой фаз, линией, называемой конодой. На рис. 176 линия представляет собой изотерму ликвидуса (подобно показанной на рис. 175); здесь же проведено несколько конод, соединяющих составы равновесных твердой и жидкой фаз.

В бинарной системе точка показывает состав А, находящийся в равновесии с жидкостью состава и твердой фазой В состава В тройной системе точка переходит в линию Точка на этой линии показывает состав А, находящийся в равновесии с жидкостью состава, определяемого точкой, лежащей при той же температуре на линии и твердой фазой В, состав которой расположен на линии аналогичной линии Треугольник на рис. 176 получается в результате пересечения горизонтальной плоскостью (температура линий и при этой температуре жидкость состава находится в равновесии с твердой фазой А состава а и твердой фазой В состава Можно видеть, что линия встречается с данной горизонтальной плоскостью в точке и что ее часть Ее расположена выше плоскости

Линии и (см. рис. 174) в бинарных системах указывают на равновесие между твердыми растворами а также соответственно. Легко понять, что в тройной системе каждая из них развивается в поверхность растворимости в твердом состоянии и что изторемическое сечение диаграммы обнаружит двухфазные области, пересеченные конодами точно так же, как в случае ликвидус и солидус. Таким образом, изотермический разрез тройной диаграммы имеет большое значение, так как на нем виден состав фаз, находящихся в равновесии при данной температуре.

Перед детальным исследованием различных видов диаграмм полезно подытожить некоторые правила, относящиеся ко всем изотермическим сечениям. Эти правила впервые были разработаны Розебумом [197], а много лет спустя были снова выведены Липсоном и Вильсоном [13] из уравнений свободной энергии. В изотермическом сечении тройной системы мы не можем иметь более четырех равновесных фаз, поэтому необходимо рассмотреть следующие случаи.

Однофазные области. Однофазные области изображаются на изотермическом разрезе площадью. Линии, ограничивающие эту площадь, указывают составы фаз, находящихся в равновесии с другими фазами. Могут быть проведены коноды,

соединяющие составы двух фаз, находящиеся в равновесии друг с другом. Так, на рис. является граничной линией твердого раствора, а точки на этой линии представляют собой состав сплава находящегося в равновесии с фазой здесь же показаны некоторые коноды. Точки линий показывают составы находящиеся в равновесии с фазами Граничная кривая имеет резкие переломы в точках и с; в этих точках происходит перемена фаз, с которой находится в равновесии фаза

Двухфазные области. Двухфазные области на изотермическом сечении изображаются площадью, пересеченной конодами, показывающими состав двух фаз, находящихся в равновесии друг с другом. Так на рис. 177 сплав, состав которого представлен точкой расположен на коноде и состоит твердого раствора состава х, находящегося в равновесии с твердым растворочм состава у. Все сплавы, находящиеся на коноде состоят из фаз одного и того же состава и точки, представляющие состав сплава, делят коноду обратно пропорционально относительному количеству этих двух фаз. Таким образом, в сплаве состава количества относятся как

Трехфазные области. Трехфазные области на изотермическом сечении представлены треугольниками. Все сплавы внутри треугольника состоят из тех трех фаз, составы которых даны углами треугольника.

Так, все сплавы, находящиеся внутри треугольника (см. рис. 177), состоят из -фазы состава -фазы состава и -фазы состава Относительное количество каждой фазы может быть найдено построением, показанным на рис. 178. Сплав состава содержит фазы в соотношении площадей треугольников Углы трехфазных треугольников лежат на границах однофазных областей в тех точках. где наблюдаются переломы линии (см. рис. 177). Стороны трехфазного треугольника являются, таким образом, последними конодами соседних двухфазных областей. В каждом углу трехфазного треугольника встречаются коноды двух разных видов и две ветви кривой, ограничивающей однофазную область. Из рассмотрения свободной энергии можно показать, что если продолжить границы однофазных областей, которые касаются угла трехфазного треугольника, то они должны, пройти внутрь треугольника или оказаться по обе стороны этого угла. Угол между продолженными границами, обращенный в сторону треугольника должен быть меньше 180°. Могут

существовать такие углы, как (рис. 179), но таких, как быть не может.

Четырехфазные безвариантные точки. Четыре фазы в тройной системе могут одновременно существовать в безвариантной точке при определенной температуре.

Рис. 177. Изотермическое сечение тройной системы

Рис. 178. Построение для нахождения относительных количеств фаз внутри трехфазного треугольника

Имеются две возможности.

1. Точка, определяющая одну фазу, может лежать внутри треугольника, образованного тремя остальными фазами, как показано на рис. 180 (б); здесь точка лежит внутри треугольника

Рис. 179. Часть изотермического сечения тройной системы. Границы фаз могут иметь направления, показанные но не могут нметь таких, как (Лнпсон и Внльсон)

Рис. 180. Составы фаз в четырехфазной безвариантной точке в тройных системах

В этом случае при прохождении через безвариантную точку происходит реакция:

Таким образом, в точке истинной тройной эвтектики, где в равновесии с жидкостью находятся три твердые фазы, состав жидкости определяет точка а состав твердых фаз точки Возможна также тройная перитектика, где при нагреве твердая фаза распадается на жидкую а, твердую и твердую с. Аналогично могут быть тройные эвтектоиды и перитектоиды.

2. Во втором случае состав четырех фаз таков, как показано на рис. где прямая линия, соединяющая пересекает прямую, соединяющую В этом случае при прохождении через безвариантную точку идет реакция

Реакция может быть, например, перитектической типа:

Возможна также аналогичная реакция, в которой все участвующие четыре фазы твердые.

Пересечение эвтектических кривых. На рис. 175 показаны эвтектические линии и которые начинаются из эвтектических точек Если эти две кривые пересекаются, можно показать, что из точки пересечения должна также выходить третья кривая; направление этой кривой будет зависеть от характера диаграммы.

Вертикальные сечения

Для изучения равновесия в тройных сплавах наиболее часто используются изотермические сечения, но для изучения влияния третьих элементов на двойные системы рассматривают также вертикальные сечения тройной диаграммы. Как будет показано ниже, в некоторых случаях экспериментальное построение неизвестной диаграммы удобнее всего начинать с вертикальных сечений. Если (рис. 181) представляет собой концентрационный треугольник данной тройной системы, а линия параллельна стороне то все сплавы, составы которых лежат на будут иметь одинаковое содержание компонента С. Вертикальное сечение, проходящее в трехмерной модели по линии покажет строение сплавов, содержащих определенный процент С, а ряд параллельных вертикальных сечений по дает общее влияние добавки металла С на двойную систему

Рис. 181

На рис. 176 было показано построение части тройной системы. Если провести через линию вертикальное сечение

(рис. 176), то получим диаграмму, верхняя часть которой имеет вид, показанный на рис. 182. Эта диаграмма имеет большое значение для иллюстрации области жидких и полужидких сплавов, но ее нельзя применять для определения составов равновесных сплавов.

Рис. 182. Вертикальное сечение, проходящее по линии рис. 176

Предположим, например, что линия (см. рис. 176) соответствует сплавам, содержащим компонента С. Тогда точки вертикального сечения рис. 182 соответствуют сплавам, содержащим 5% С, 95% В и 5% С, 95% А. Точка I кривой ликвидус рис. 182 показывает, что сплав, содержащий и 50% А, при данной температуре находится точно на поверхности ликвидус. Точка однако, не является точкой солидус, соответствующей точке I ликвидус. Это следует хотя бы из того, что все точки рис. 182 относятся к сплавам, содержащим 5% С, но жидкость содержащая 5% С, необязательно должна быть в равновесии с твердой фазой, имеющей такое же количество компонента С. Это будет только в том случае, если коноды, соединяющие составы твердой и жидкой фаз, параллельны стороне равностороннего треугольника. Поэтому вертикальное сечение тройной диаграммы может легко ввести в заблуждение.

После работы с двойными диаграммами читатель может ошибочно заключить, что достаточно провести горизонтальные линии, чтобы получить состав равновесных фаз.

Чтобы предостеречь от возможной ошибки, необходимо отметить, что такая диаграмма, как показанная на рис. 182, дает возможность узнать, какие фазы существуют при различных температурах в сплавах, содержащих однако по ней ничего нельзя сказать о том, каковы составы фаз, находящихся в равновесии друг с другом.

На рис. 181 линия равностороннего треугольника представляет ряд сплавов с переменным содержанием компонента В, но в которых отношение компонентов постоянно и

равно Вертикальное сечение трехмерной модели, проходящее через соответствует, таким образом, сплавам, содержащим компоненты в постоянном соотношении. Такие вертикальные сечения очень часто встречаются в немецких статьях, особенно когда рассматриваются так называемые «квазибинарные» сечения. Если, например точка соответствует стабильному соединению с С, не образующему твердых растворов, то можно рассматривать сплавы лежащие на линии как двойные сплавы системы компонента В и соединения состава В этом случае вертикальное сечение, проходящее через имеет много черт двойной системы.

Такими сечениями часто пользуются и в тех случаях, когда не является стабильным соединением, и тогда подобные «квазибинарные» разрезы могут легко привести к ошибкам.

Проекции диаграмм

Описанные выше изотермические и вертикальные сечения проходят через всю трехмерную модель и характеризуют только данную плоскость. Часто бывает полезно показать на модели положения линий или поверхностей в зависимости от состава независимо от температуры. Это можно сделать, спроектировав линии границ диаграммы на основание модели. Например, на диаграмме рис. 175 имеем три поверхности ликвидус, соответствующие выпадению твердых фаз Поверхности ликвидус, выходящие из встречаются на линии двойной эвтектики в то время как соответствует эвтектической линии, образующейся при пересечении поверхностей Можно предположить, что система дает начало аналогичной эвтектической линии не показанной на рис. 175, а также, что три линии бинарных эвтектик и встречаются в точке тройной эвтектики.

Рис. 183. Проекции бинарных эвтектических линий, встречающихся в тройной эвтектической точке

Итак, если линии и спроектировать на основании модели, то получим такую диаграмму, как показано на рис. 183, где точка пересечения соответствует составу тройной эвтектики. В области составов внутри при охлаждении жидкого сплава, очевидно, сначала выпадает Области и относятся к первичной кристаллизации компонентов соответственно. Стрелки показывают, куда наклонены

эвтектические линии. Таким же образом на основании диаграммы могут быть спроектированы рис. 176). Такие линии часто наносят на изотермические сечения, чтобы показать, как точки в сечении согласуются с точками двойных систем, которые находятся на сторонах концентрационного треугольника. Так, на рис. 176 изотермическое сечение при температуре включает в себя трехфазный треугольник двухфазную область и гомогенные области Это может быть показано на диаграмме типа рис. 184, где треугольник дает изотермическое сечение при температуре Равновесная диаграмма двойной системы отложена на стороне треугольника а температура показана прямой линией, пересекающей кривую растворимости в точке х. Если перпиндикуляр, опущенный на сторону треугольника то точка х, очевидно, является границей твердого раствора на стороне изотермического сечения, а у точно так же является границей твердого раствора В. Линии являются пределами твердых растворов А и В, которые ограничивают двухфазную область Треугольник представляет собой трехфазную область жидкость), так же, как и треугольник на рис. 176.

Рис. 184. Проекции линий диаграммы на основании трехмерной модели

Точка лежит на линии двойной эвтектики (см. рис. 176), а на рис. 184 проекция показана толстой линией, начинающейся в точке которую получают, опуская перпендикуляр из на Точно также точки (см. рис. 176) лежат на линиях и проекции которых показаны на рис. 184. Описанный метод изображения весьма удобен, но нужно помнить, что на таких диаграммах толстые линии не принадлежат изотермическому сечению, а представляют собой проекции линий, находящихся выше этого температурного уровня.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление