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

Точное построение изотермических сечений микроскопическим и рентгеновским методами

В большинстве случаев при исследовании тройных систем необходимо точно построить несколько изотермических сечений. Первое из них должно быть выбрано при достаточно высокой температуре, чтобы равновесие в твердых сплавах можно было установить довольно быстро, скажем в течение 5—10 суток; результаты этой первой серии опытов помогают, правильно выбрать составы сплавов для дальнейших экспериментов.

Вообще изотермические сечения лучше устанавливаются комбинацией микроструктурного и рентгеновского методов, и ошибочно полагаться только на один из этих методов. Во многих случаях изотермические сечения крайне сложны, и чтобы установить точные формы их областей, необходимо иметь данные как микроскопического, так и рентгеновского анализов. Относительные преимущества рентгеновского и микроструктурного методов зависят от свойств изучаемой тройной системы, однако при выборе способа исследования всегда должны быть приняты во внимание известные характеристики бинарных систем. Если, например, известно, что в системе (см. рис. 225) при закалке распадается -фаза, то в этом случае не следует применять рентгеновский метод для исследования закаленных образцов. Когда металлы достаточно стабильны, как, например, серебро, можно применить высокотемпературную камеру. Если же один из этих металлов летуч и химически активен, как марганец, применение рентгеновского метода при высоких температурах, невидимому, невозможно. Таким образом, относительное преимущество микроструктурного или рентгеновского методов предопределяется характеристиками конкретных систем.

При построении первого изотермического сечения системы, показанной на рис. 225, сначала следует снять с помощью камеры Дебая — Шеррера рентгенограммы фаз сверхструктуры в системе и рентгенограммы твердых растворов, образованных на основе металлов . Рентгенограмма должна быть сначала снята на отфильтрованном излучении с такой длиной волны, чтобы исключалось аномальное рассеивание в области полосы поглощения. Рентгенограммы 2- или -фазных сплавов часто содержат так много линий, что желательно вообще не иметь -линий на

рентгенограмме, хотя для некоторых специальных целей, конечно, может оказаться необходимым снять рентгенограмму с К-линиями. Там, где присутствует много линий, полученных под малыми углами отражения, желательно применять излучение с большой длиной волны, чтобы увеличить расстояние между линиями. Эти эталонные рентгенограммы используют для сравнения, и они часто дают много ценных сведений при установлении фаз тройных сплавов, даже если их структуры неизвестны.

На диаграмме рис. -фаза стабильна только при высоких температурах, и эталонная рентгенограмма может быть снята только в высокотемпературной области, поскольку при закалке происходит распад. Предположим, что -фаза имеет неупорядоченную объемноцентрированную кубическую структуру, которая не может быть сохранена закалкой.

При построении первого изотермического сечения лучше начать систематическое исследование от одного из двух углов или от одной из сторон диаграммы; не следует начинать работу исследованием изолированных сплавов, резко отличающихся по составу. В тройной системе всегда имеется возможность найти тройную фазу, существующую в твердом состоянии и даже не находящуюся в равновесии с жидкостью. Если исследуются сплавы, сильно отличающиеся по составу, то имеется опасность ошибочно принять тройную фазу за твердый раствор, образованный на основе одной из фаз бинарной системы. Эта опасность значительно уменьшается, если исследуется серия сплавов, составы которых расположены на одной линии на небольшом расстоянии один от другого. В некоторых случаях бывает, что одна и та же фаза в зависимости от своего состава различно протравливается. Тогда при разделении образцов широкой области составов метод микроанализа может ввести исследователя в заблуждение; в то время как если изучается серия последовательно расположенных сплавов, этот метод очень убедителен.

Предположим, что первое изотермическое сечение выбирается при температуре указанной на рис. 225. Это сечение не пересекает ни область жидкости, ни область (жидкость твердая фаза). В углу диаграммы, богатом располагается однофазная область, соответствующая твердому раствору в компоненте При 10% (атомн.) компонента В в системе температурная горизонталь пересекает границу на кривой предельной растворимости твердого раствора это отмечено крестиком (рис. 227). Области твердых растворов в бинарных системах указаны утолщением сторон треугольника.

Соответствующий состав границы в системе находится при 24% (атомн.) С, и эта точка также отмечена крестиком. В бинарной системе при температуре гомогенная -фаза находится между 32 и 55% (атомн.) компонента В. Эта область отмечается крестиками и утолщением сторон треугольника. Из рис. 225 также следует, что при температуре -фаза сказывается стабильной в небольшой области 32—36% (атомн.) компонента это обозначено и на рис.

При построении изотермического сечения сначала следует установить границы твердого раствора в металле для этой цели нужно приготовить сплавы, составы которых указаны точками в верхней части рис. 227. Составы выбираются так, чтобы можно было обнаружить характер границы -фазы. Граница может быть прямолинейная, выпуклая или вогнутая.

Отлитые в кокиль образцы должны быть отожжены до равновесного состояния; при отжиге следует предусмотреть все предосторожности, описанные выше для бинарных сплавов. Если температура достаточно высока, сплавы могут быть отожжены непосредственно при этой температуре, но если лежит заметно ниже эвтектической и перитектической температур (точки то может оказаться, что лучше дать предварительную гомогенизирующую обработку при более высокой температуре. После отжига при температуре и закалки сэтой температуры образцы должны быть подвергнуты микроскопическому анализу; образцы, показавшие сомнительные результаты, должны быть повторно отожжены в течение более длительного периода. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не появляется уверенность в том, что установилось истинное равновесие.

Время, необходимое для достижения равновесия, может сильно меняться в сплавах одной системы, даже если, их температуры плавления не сильно отличаются. Так, при исследовании четверных сплавов алюминия, меди, марганца и цинка Строубридж [201] нашел, что некоторые сплавы достигают равновесия после отжига при 460° в течение суток; другие (приблизительно такого же состава) требуют длительности отжига порядка 6 недель. Подобное явление, очевидно, может иметь место и в тройных системах. Следовательно, нет оснований предполагать, что времени, необходимого для установления равновесия в одной области, будет достаточно для установления равновесия в соседних областях. В некоторых случаях эта разница во времени может быть связана с природой фаз,

присутствующих в отлитых сплавах. Например, может случиться, что в одном углу трехфазного треугольника слитки содержат фазы в то время, как в другом углу — фазы В таком случае поглощение фазы может быть гораздо более медленным процессом, чем поглощение других фаз.

Предположим, что микроанализ этих сплавов дал результаты, показанные на рис. 228. Из этих результатов следует, что линия предельной растворимости является почти прямой, и можно приблизительно нанести границу области твердого раствора (на рисунке она показана пунктирной линией). Но пока граница установлена еще недостаточно точно, следует дополнительно изготовить сплавы для исследования.

Рис. 227. Часть изотермического сечения тройной системы рис. 225. Области гомогенных фаз в бинарных системах указаны утолщением сторон треугольника. На рисунке приведены составы сплавов, выбранных для исследования

Рис. 228. Часть изотермического сечения тройной системы рис. 225. Кружками показаны гомогенные сплавы, кнадратами — двухфазные

На этой стадии работы уже нежелательно выбирать сплавы, составы которых лежат «а той же прямой диаграммы. Теперь сплавы должны быть приготовлены так, чтобы линия, соединяющая два состава, была перпендикулярна к кривой фазовой границы. Если, например, на рис. 229, а сплошная кривая является фазовой границей, определяемой двухфазными сплавами, обозначенными 2, 3, 4, 8, и гомогенными сплавами 1, 5, 6, 7, то по положению пунктирной кривой можно заключить, что граница еще точно не установлена. На рис. 229, б фазовая граница находящаяся между двухфазными сплавами 1, 3, 5, 7, и

гомогенными сплавами 2, 4, 6 и 8, проведена более удовлетворительно. Конечно, всегда возможна аномальная кривизна дуг между двумя соседними парами точек, и поэтому составы исследуемых сплавов должны быть расположены достаточно близко.

Возвратимся к рис. 228 (на этом рисунке сплавы пронумерованы). Понятно, что теперь нам требуются следующие сплавы: 1) сплав, содержащий несколько больше компонента А, чем № 1; 2) сплав, лежащий между № 2 и 3 на линии, соответствующей 10% компонента сплав, содержащий такое же количество С, как и № 4, но немного больше А и меньше компонента один или два сплава, содержащих такое же количество С, как № 5, но немного больше компонента А и меньше В.

Рис. 229. Установление границы фазовых областей: а — неудовлетворительное; в — удовлетворительное («захватом в вилку»)

Рис. 230. Часть изотермического сечения тройной системы рис. 225: анализируемые гомогенные сплавы; -анализируемые двухфазные сплавы; — не анализируемые двухфазные сплавы

Предположим, что эти сплавы были приготовлены и что результаты исследования микроструктуры оказались такими, как показано на рис. 230. Если такая степень точности достаточна, то следует проанализировать сомнительные сплавы и затем нанести кривую растворимости. Это показано на рис. 230, где сплошные точки относятся к проанализированным образцам, а полые точки — к сомнительным сплавам, которые не анализировались достаточно полно.

Если проведенные анализы показывают, что требуемые составы были получены с приемлемой степенью точности, полые точки могут быть оставлены на диаграмме как доказательство того, что кривая проведена правильно. Если в составе отмечаются заметные отклонения, то полые точки, конечно, должны быть отброшены. Для точного построения диаграммы

необходимо дополнительно исследовать сплавы, находящиеся непосредственно на кривой. Тогда точность нанесения кривой может быть такой же большой, как при построении бинарной системы.

В связи с тем что -фаза системы -фаза системы имеют соответственно упорядоченную и неупорядоченную объемноцентрированную кубическую решетку, при температуре имеется несколько возможных форм сечения тройной диаграммы.

Рис. 231. Возможные варианты расположения областей в части сечения системы рис. 225

Каждая фаза в тройной диаграмме может приводить к образованию областей и трехфазного треугольника (рис. 231, а). Возможно также, что области фаз могут содиняться, давая непрерывную область объемнодентрированной кубической фазы, в которой порядок постепенно нарушается при движении от стороны X к стороне У диаграммы (рис. 231, б). В любом случае границу можно установить микроскопическим методом; предварительные данные об этой границе дают сплавы, указанные на рис. 226. Однако для точного нахождения границы исследование должно быть проведено так, как было описано выше.

Мы предположили, что -фаза распадается при закалке, поэтому выбор метода для определения границы будет зависеть от характера микроструктуры, получаемой в результате распада. Если микроструктура такая, как на рис. 118, и отчетливо обнаруживаются мелкие кристаллы второй фазы, то можно успешно применить микроскопический метод анализа. Если структура распада более грубая (см. рис. 122), то метод анализа микроструктуры оказывается недостаточно точным, особенно если количества второй фазы делаются такими небольшими, что ее частицы становятся соизмеримыми с частицами структуры распада. В некоторых случаях для исследования могут быть использованы высокотемпературные рентгеновские методы, но, как будет видно из дальнейшего, их применение для изучения тройных систем значительно сложнее, чем для бинарных.

Предположим, что микроскопическим методом установлены границы представленные линиями на рис. 228, и что При передвижении вдоль -фаза становится более стабильной, в то время как в области травлением нельзя ясно дифференцировать фазы В этом случае более эффективно применение рентгеновских методов. С этой целью должны быть проведены эксперименты с высокотемпературной камерой на образцах, составы которых простираются через диаграмму от фазы X к Эти опыты могут показать, что упорядоченная фаза X и неупорядоченная фаза существуют каждая в ограниченной области на диаграмме и что имеется промежуточная двухфазная область В этом случае, как показано на рис. 231, а, должен тоже существовать трехфазный треугольник который граничит с двухфазными областями В соответствии с этим можно ожидать изменения в направлении границы -твер-дого раствора там, где она касается вершины треугольника. После такого цредположения должны быть сделаны повторные попытки подобрать реактивы для травления с целью разделить фазы Если это окажется невозможным, то должно быть проведено тщательное изучение вида кристаллов, ряда сплавов, выбранных на основании данных рентгеновского анализа, составы которых располагаются в области и переходят в область Если, например, мы рассмотрим сплавы, обозначенные 1, 2, 3, 4 и 5 на рис. 23, в, то для многих систем будет найдено, что тогда как сплавы 1, 2 и 3 дают структуры одного типа, в трехфазных сплавах 4 и 5 будут существовать кристаллы иного вида и размера.

Таким образом, могут подтвердиться результаты рентгеновского исследования, даже если кристаллы фаз не были разделены различным окрашиванием при травлении. В такого рода исследованиях метод микроанализа последовательной серии сплавов дает результаты, которые никогда нельзя получить при изучении структур беспорядочно выбранных образцов. Если этот метод оказывается безуспешным, то должен быть применен метод микротвердости, описанный выше.

Диаграмма такого типа, как на рис. 231, а, устанавливает фазовые области, но не указывает положение конод, связывающих составы двух равновесных фаз. Способы нахождения положений конод мы описываем ниже.

Выше рассматривался вопрос, как может быть построена часть изотермического сечения тройной системы, расположенная вблизи угла А. Теперь рассмотрим угол С сечения. На рис. 225 видно, что при температуре твердый раствор, имеющий плотноупакованную гексагональную решетку, простирается от стороны прямоугольника. Мы будем его называть -твердым раствором так же, как и -углом треугольника. Можно ожидать, что рядом с областью этого твердого раствора существуют двухфазные области с соответствующим трехфазным треугольником.

Пусть экспериментально установлено, что фазы простираются несколько внутрь треугольника, а правая часть кривой растворимости компонента С имеет вид, как показано на рис. 232. Исследование приведенных на рисунке сплавов позволило установить двухфазную область и одну из сторон трехфазного треугольника. Сначала можно было предполагать, что это был треугольник но легко показать, что такие результаты могут быть ошибочными. Точка а на границе С является углом трехфазного треугольника, и ее положение приблизительно определяется сплавами, пронумерованными 1 и 2. Сплав, обозначенный цифрой 3, содержит три фазы, и поэтому вторая сторона трехфазного треугольника, начинающаяся от точки а, должна проходить левее точки таким образом, эта фаза не должна пересекать границу -фазы. Такое положение может быть либо вследствие отсутствия истинного равновесия, либо из-за несовершенного травления, которое не разрешает установить различие между кристаллитами -фазы и какой-то неизвестной тройной фазы, лежащей внутри треугольника. Для подтверждения последней точки зрения сплавы должны быть вторично отожжены, чтобы убедиться, что равновесие достигнуто и в структуре дальнейших

изменений не происходит. В то же время должна быть снята рентгенограмма закаленного порошка спшава 3; желательно также, если возможно, провести высокотемпературную рентгеновскую съемку этого сплава. Полученную рентгенограмму сравнивают со стандартными рентгенограммами фаз Если рентгенограммы оказались неудовлетворительными, различные фазы в сплавах 1, 2 и 3 могут быть исследованы методом микротвердости. Допустим, что результате этой работы установлено, что в структуре трехфазных сплавов 1, 3, 4 и 5 присутствуют фазы а также новая фаза которая отличается от

Рис. 232. Часть изотермического сечения тройной системы рис. 225: О — однофазные сплавы; О — двухфазные сплавы; трехфазные сплавы

Рис. 233. Часть изотермического сечеиия тройной системы рис. 225: - однофазные сплавы; двухфазные сплавы; — трехфазные сплавы

Таким образом, экспериментально доказано существование тройной фазы, состав которой, находящийся в равновесии с составом а, должен лежать слева от линии эта линия начинается в точке а и проходит слева от сплава 3. Затем исследователь должен приготовить новые слитки для того, чтобы установить состав новой фазы. Предположим, что были отлиты новые сплавы, состав которых и структура после отжига указаны на рис. 233. Таким путем удалось получить один образец, состоящий из гомогенной -фазы; с этого образца была снята рентгенограмма, с помощью которой можно установить присутствие фазы в других сплавах. Область существования

-фазы пока еще не определена, хотя окружающие двухфазные и трехфазные сплавы дают об этом некоторые полезные указания. Изучение изготовленных сплавов показало, что существует двухфазная область и что тройные сплавы, о которых шла речь выше, находятся в треугольнике Был также получен один двухфазный сплав На этой ступени исследования системы может быть вычерчен пробный набросок диаграммы, показанный на рис. 233 пунктирными линиями. Положение трехфазного треугольника здесь чисто предположительно и еще не подкреплено экспериментальными данными. Для уточнения должны быть приготовлены сплавы, лежащие в этой области, которые нужно подвергнуть рентгеновскому исследованию, чтобы установить, содержат ли они фазы или другие тройные фазы.

Затем обычными методами, описанными выше, нужно продолжить построение угла диаграммы (рис. 233) до тех пор, пока с желаемой степенью точности не будут получены границы различных областей. Для изучения остальной части системы мы, естественно, используем рентгеновские методы: рентгеновским методом исследуются сверхструктурные превращения твердого раствора структуры, находящиеся в углу В, изучаются рентгеновским и микроскопическим методами.

Таким путем, как мы описали, строят изотермическое сечение тройной диаграммы. Это очень трудоемкая работа. Имеются некоторые системы, например сплавы алюминия и хрома с третьим элементом, в которых даже совместными микроскопическими и рентгеновскими исследованиями не удается установить присутствующие фазы. Для таких систем могут быть использованы специальные методы, на которых мы остановимся в следующем разделе.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление