Изменение фазового состояния сплава

С помощью диаграммы состояния можно проследить, какие фазовые изменения претерпевает сплав определенного состава при понижении или повышении температуры. Например, при рассмотрении кристаллизации и последующего охлаждения сплава можно установить:

1. Температуру начала кристаллизации Т_н.к..

2. Состав и температуру первично выпадающих кристаллов.

3. Как изменяются составы жидкой и твердой фаз в процессе кристаллизации.

4. Каково соотношение между относительными количествами жидкости и кристаллов в ходе кристаллизации.

5. Температуру конца кристаллизации Т_к.к

6. Какие превращения претерпевает сплав при охлаждении ниже Т к.к, а также состав и количество продуктов кристаллизации.

7. Вид кривой охлаждения.

Проследим за изменением фазового состояния сплава состава точки “x” в системе А-М (рис. 8), которая представляет собой левую часть диаграммы, изображенной на рис. 2. Чтобы диаграмму не очень перегружать обозначениями, на рис. 8 отмечены лишь поля гомогенности.

При температуре точки “x” заданная система, представляющая собой расплав (Ф=1), двухвариантная, и отвод тепла от нее вызовет лишь охлаждение жидкости неизменного состава до температуры . На кривой охлаждения (рис. 8,б) этому отвечает участок аb.

Температура начала кристаллизации Т_н.к сплава на диаграмме состояния определяется точкой пересечения вертикали исходного сплава с ветвью ликвидуса Е (линией насыщения жидкости одной твердой фазой).

На кривой охлаждения этой температуре соответствует точка излома “в”. С появлением твердой фазы система становится

одновариантной. Поэтому при дальнейшем отводе тепла ее температура падает, но охлаждение замедляется, так как двухфазное равновесие

(6).

смещается вправо (в сторону выделения тепла). Одна степень свободы означает, что составы равновесных фаз (жидкой и твердой) зависят от температуры и определяются точками пересечения изотермы с ветвями ликвидуса и солидуса соответственно.

Так, при температуре начала кристаллизации Т_н.к,= состав расплава указывает точка " ", а состав кристаллов — точка " S₁". Последняя находится на линии, ограничивающей поле гомогенности -фазы. Поэтому первичным продуктом кристаллизации сплава ^“Х^” является одна твердая фаза - —твёрдый раствор.

Рис. 8. Диаграмма состояния системы А-М (а) и вид кривой охлаждения сплава "х" (б)

По мере понижения температуры в ходе кристаллизации состав жидкости изменяется по ветви ликвидуса от “ L₁“до “L₂“ а состав твердой фазы — по ветви солидуса от " S₁" до " S₂", что на рис. 8,а отмечено стрелками. При температуре точки “k” в равновесии существуют две фазы — жидкая состава “L” и твердая состава "S".

Соотношение в их количествах можно определить с помощью правила отрезков. Отрезок КS пропорционален массе жидкости, а отрезок КL — массе кристаллов.

Температура конца кристаллизации сплава Т_к.к= на диаграмме состояния определяется точкой пересечения вертикали с ветвью солидуса Д. На кривой охлаждения ей отвечает точка излома "с". По завершении кристаллизации прекращается выделение тепла, и охлаждение системы ускоряется.

После исчезновения жидкости система вновь становится двухвариантной и дальнейшее охлаждение -раствора происходит без изменения его состава.

При температуре Т_н -твердый раствор становится насыщенным, из него происходит диффузное выделение -раствора.

<0 (7).

Процесс (7) экзотермичен, поэтому охлаждение системы вновь замедлится и при температуре начала распада твердого раствора Т_н.р на кривой охлаждения отметится точка излома "d". По мере дальнейшего понижения температуры составы равновесных фаз будут изменяться по линиям насыщения: Н для -раствора и R для - раствора.

При температуре Т_И= происходит эвтектическое превращение (диффузный распад - твердого раствора на кристаллы вещества М и - раствор).

< 0 (8).

Трехфазная система безвариантная. Отвод тепла от нее смещает равновесие (8) вправо. За счет теплоты, выделяющейся в результате превращения, температура в системе сохраняется неизменной (участок fg на кривой охлаждения).

Лишь после исчезновения - раствора появляется степень свободы и возможно дальнейшее понижение температуры (см. рис. 8,б, участок gh) и изменение составов фаз по линиям и (см. рис. 8,а).

Конечными продуктами кристаллизации сплава "X" являются две твердые фазы — вещество М и - раствор. При любой температуре ниже Т_ЕL можно определить состав раствора и соотношение в количествах равновесных фаз,

Например, при Т_у в равновесии с кристаллами вещества М
присутствует - раствор состава точки “Z”. Долю каждой из фаз
найдем с помощью правила отрезков:

и

По теме «Фазовые равновесия» выполняется расчетно-графическое задание, которое включает 3 задачи:

1) Анализ однокомпонентной системы на примере диаграммы состояния железа.

2) Расчет ветвей ликвидуса и определения теплоты плавления чистых компонентов в двухкомпонентной системе.

3) Физико-химический анализ двухкомпонентной диаграммы плавкости.

Формулировка задания и исходные данные приводятся ниже.

Для облегчения выполнения задания даны приложения 1-5, библиографический список и приложение 6, содержащее диаграммы состояния различных металлических систем.