Поняття про діаграми стану потрійних сплавів

Більшість сплавів, застосовуваних у техніку, складається більш ніж із двох компонентів. У деяких випадках кількість третього компонента так чи мало його вплив настільки незначний, що систему, хоча і состоящую більш ніж із двох компонентів, можна практично розглядати як подвійну. У деяких випадках обмежуються вказівками про вплив третього компонента на властивості подвійних сплавів, що дозволяє не прибігати до більш складних діаграм потрійних систем.

Приведемо деякі приклади. У залізовуглецевих сплавах (сталях, чавунах), що є двухкомпонентными, завжди присутні кремній, марганець, сірка, фосфор. До певні» концентрацій цих елементів сплави заліза з вуглецем розглядають як подвійні (сплави Fе—С чи Fе-Fі₃С),

Однак, коли концентрація третього елемента стає значної чи вплив його на структуру і властивості дуже велико навіть при змісті в малих кількостях, розглядати потрійні (і з великим числом компонентів) системи як подвійні не можна. У цих випадках будують діаграми стану для трьох компонентів (потрійні системи). Ці діаграми, на перший погляд удавані значно більш складними, будують по тім же принципі, що і подвійні діаграми, досвідченим шляхом; вони підкоряються правилу фаз і до них можна застосувати правило відрізків.

У подвійних сплавах незалежної перемінної є концентрація тільки одного компонента З, %, тому що концентрація другого дорівнює різниці 100 — З, %.

У потрійних сплавах незалежними перемінними є концентрації двох компонентів, отже, зміна складу може бути виражено двома координатами. Температура в діаграмах стану потрійних сплавів буде вже третьою координатою. Отже, діаграми потрійних сплавів будуть просторовими. Для визначених умов (наприклад, для постійної температури) діаграми для потрійних сплавів можуть бути дані також у виді площинних.

Насамперед ознайомимося з тим, як виражають склад потрійних сплавів. Маються різні методи зображення на площині складу потрійних сплавів (прямокутні координати й ін.), але загальноприйнятої є визначення складу (концентрації) потрійних сплавів за допомогою рівностороннього трикутника. Такий трикутник, службовець підставою потрійних діаграм, називається концентраційним трикутником (мал. 120).

У вершинах трикутника відзначений склад 100% компонентів А, В в С, а на сторонах ВР, АС і АВ зазначені концентрації компонентів у подвійних сплавах.

Щоб визначити положення сплаву по заданому складі, потрібно знайти крапку змісту компонента на стороні (подвійній діаграмі) н провести лінію, рівнобіжну іншій стороні, противолежащей вершині трикутника для цього компонента. Наприклад, на стороні ВР знаходимо крапку 20 % В и проводимо рівнобіжну стороні АС, противолежащую вершині компонента В. Потім аналогічну побудову зробимо від сторони АВ, наприклад, від 60% А проведемо рівнобіжну ВР. Крапка перетинання двох рівнобіжних буде визначати склад сплаву з 60 % А, 20 % У, інші 20 % — компонент С.

Рис. 120. Концентровані трикутники

При такому методі відліку, яким дуже часто користаються, необхідно концентрацію компонентів відкладати в одному напрямку (наприклад, проти вартовий стрілки, як це показано на мал. 120).

Потрійні діаграми будують експериментальним шляхом. Для цього, так само як і у випадку подвійних сплавів, визначають критичні температури (критичні крапки) побудовою криві чи охолодження чи нагрівання іншим методом і наносять їх на лінію даного сплаву, тобто на вертикаль до крапки, що показує склад сплаву (крапки, що характеризують склад потрійних сплавів знаходяться усередині трикутника).

При з'єднанні крапок ліквідусу виходить поверхня ліквідусу; крапок солідуса — поверхня солідуса.

Вид потрійної діаграми стану залежить від того, які фази утворяться в результаті взаємодії компонентів у сплаві.

Нижче будуть розглянуті тільки діаграми стану для сплавів з необмеженою розчинністю компонентів у рідкому стан.

ДІАГРАМА СТАНУ ПОТРІЙНИХ СПЛАВІВ, ЩО УТВОРЮЮТЬ МЕХАНІЧНУ СУМІШ ЧИСТИХ КОМПОНЕНТІВ

Незважаючи на те що конкретні значення критичних крапок для даного потрійного сплаву встановлюють досвідченим шляхом, напрямку поверхонь ліквідусу, їхнього перетинання і весь характер потрійної Діаграми можна передбачати на основі теорії.

У сплавах, що утворять механічну суміш, добавка третього компонента знижує температури ліквідусу і солідуса подвійних сплавів. З мал. 121 видно, що лінії ліквідусу н солідуса знижуються, якщо до подвійного сплаву доданий третій компонент (у даному випадку постійна кількість компонента З).

Добавка третього компонента може змінювати також склад подвійний эвтектики. На мал.121 показано, що склад подвійний эвтектики

Рис. 121. Вплив добавки третього компонента постійної

концентрації на діаграму

стану подвійнихсплавів у випадку, коли

компонентиутворять механічну суміш

у подвійному сплаві відповідає крапці Е; при добавці а % З — крапці Е₂, при добавці б % З — крапці Е₂.

Отже, поверхні ліквідусу при утворенні механічної суміші йдуть униз від температур плавлення чистих компонентів.

Температури утворення подвійних эвтектик у потрійних сплавах різні (t_э^'0 , tэ^"0) і знижуються зі збільшенням змісту третього компонента (мал. 121).

Температури плавлення подвійних эвтектик лежать на лініях перетинань поверхонь ліквідусу. Крім того, лінії подвійних эвтектик повинні зійтися в одній крапці, а отже, у цій крапці сходяться і всі поверхні ліквідусу.

Це випливає з правила фаз. При утворенні механічної суміші в сплаві після кристалізації подвійний эвтектики повинна початися кристалізація потрійний эвтектики, у которую входять кристали третього компонента, тобто потрійну эвтектику можна представити як суму А + У + С.

Отже, у момент появи потрійний эвтектики в сплаві будуть існувати чотири фази (рідкий сплав і кристали А, У, З), це можливо тільки при постійних складі і температурі, тому що число ступенів волі дорівнює нулю:

С = ДО + 1 — Ф = 3 + 1 — 4 = 0.. (40)

Оскільки склад потрійний эвтектики в даній системі компонентів може бути тільки один, то йому повинна відповідати усередині трикутника тільки одна крапка. Сплав, що відповідає потрійний эвтектике, затвердевает при найменшій температурі.

У потрійних сплавах, що утворять механічну суміш компонентів, поверхня солідуса являє собою площину, рівнобіжну площини концентрацій, що проходить через крапку затвердіння потрійний эвтектики.

Просторова діаграма стану потрійних сплавів, що складаються з компонентів, що не розчиняються у твердому стані й утворюючих потрійну эвтектику, показана на мал. 122, а.

Нижче приведені дані, з яких видно, які кристали по якій поверхні ліквідусу виділяються і яка эвтектика відповідає лінії подвійний эвтектики:

Поверхня Выдел. Лінія Выделя-

ліквідусу кристал- подвійний ющаяся

лы эвтек- эвтектика

тики

АЕ₁ЇЇ₃А А Е₁Е А + У

ВЕ₂ЇЇ₁В В Е₂Е В+З

СЕ₂ЇЇ₃С С Е₃Е А + З

Крапка Е — це крапка потрійний эвтектики, у якій виділяється эвтектика (А +В+ С).

Поверхня солідуса проходить при постійній температурі на відстані t_э⁰ концентраційного трикутника (для який прийнята нормальна температура).

Рис.122. Діаграма стану потрійних сплавів, компоненти яких утворять механічну суміш: а — просторове зображення діаграми; б — крива охолодженняпотрійного сплаву; у — проекція просторової діаграми на площину

Розглянемо кристалізацію потрійного сплаву О на діаграмі, мал. 122,.

Крива охолодження для цього сплаву приведена на мал. 122,б. До t_l⁰ сплав знаходиться цілком у рідкому стані (Ж. с.); починаючи з t_l⁰ виділяються кристали А. Тому крапка, що характеризує склад рідкої частини сплаву, що залишилася, буде віддалятися від вершини А по лінії АОК, що проходить через крапку О і вершину А. При виділення вільних кристалів А закінчиться і почнеться виділення подвійний эвтектики (А + С). Від t⁰_II до t⁰_э буде виділятися эвтектика А + С. Унаслідок виділення з рідкого сплаву А и С у ньому буде зростати концентрація В. Рідка частина сплаву між А і С буде змінювати склад по лінії Е₃Е (тобто по напрямку від крапки К к крапці Е). При t⁰_э рідка частина сплаву, що залишилася, буде мати склад крапки Е и при кристалізації дасть потрійну эвтектику ( А + В+ С).

Отже, після повного охолодження сплав буде складатися з наступних структурних складових: вільних кристалів А, подвійний эвтектики (А + С) і потрійний эвтектики (А + В + С).