Фазовые диаграммы с протеканием 3-фазных реакций

1.

Фазовые диаграммы
с протеканием 3-фазных реакций
Рассмотренная ранее бинарная изоморфная
система Cu-Ni имеет неограниченную растворимость в
твердом состоянии, и ее фазовая диаграмма была
простой.
Многие другие бинарные системы характеризуются
ограниченной растворимостью в твердом состоянии и
соответственно протеканием более сложных реакций с
участием трех фаз.

2.

3 основные трехфазные реакции с участием жидкости
(обозначения:. L1 , L2 , L3 - жидкие фазы, , , - твердые фазы).
1. ЭВТЕКТИЧЕСКАЯ РЕАКЦИЯ: L
L
T L
L
Жидкость L
при охлаждении образует две т/т
фазы:
и .
состав
2. ПЕРИТЕКТИЧЕСКАЯ РЕАКЦИЯ:
L
L
L
При охлаждении т/т фаза
и жидкость
реагируют, образуя другую т/т фазу:
3. МОНОТЕКТИЧЕСКАЯ РЕАКЦИЯ:
L2
L1 L2
сосущ.
L1
L2
L
L
L1 L2
L1
При охлаждении 1-ая жидкость L1 превращается во
2-ую жидкость L2 и т/т

3.

Возможны трехфазные реакции
и с участием только твердых фаз.
4. ЭВТЕКТОИДНАЯ РЕАКЦИЯ:
При охлаждении твердая фаза разлагается с образованием двух других
твердых фаз ,
5. ПЕРИТЕКТОИДНАЯ РЕАКЦИЯ:
При охлаждении две т/т фазы
3. МОНОТЕКТОИДНАЯ РЕАКЦИЯ:
При охлаждении фаза состава
2
1 2
2
1
, образуют третью
1
1 2
1 выделяет фазу
с образованием
2

4.

Процедура идентификации фазовой диаграммы:
1. Число реакций в системе определяется
числом горизонтальных линий.
2. На этой линии локализуем две конечные
точки и третью вблизи центра. Эти три
точки дают составы (процентное
содержание второго компонента) трех
фаз, участвующих в трехфазной
реакции.
3. При охлаждении фазы, существующие
выше центральной точки, превращаются
в фазы ниже центральной точки.
При этом из правила фаз Гиббса (при давлении p=const) следует:
F=C-P+1=2-3+1=0 - нет степеней свободы
Число компонентов
Число фаз
Любая трехфазная реакция происходит при фиксированных
температуре (T=const) и составе (%=const).

5.

ЭВТЕКТИЧЕСКАЯ ФАЗОВАЯ ДИАГРАММА на примере
бинарной система свинец-олово (Pb-Sn).
0
T, C
400
L-жидкость
ликвидус
300
солидус
200 0
183
L
L
100
сольвус
20
19%
Сольвус – линия растворимости.
Она показывает предел
Sn
растворимости при различных
60
80
100%
температурах и разделяет
61.9% 97.5%
однофазные и двухфазные
области.
сольвус
0
0%
ЭВТЕКТИЧЕСКАЯ ФАЗОВАЯ
ДИАГРАММА содержит три типа линий:
1. Ликвидус
2. Солидус
3. Сольвус
40
Система Pb-Sn имеет 4 класса сплавов.
Класс №1. Твердые растворы (область I - 0% - 2% Sn)
Класс №2. Сплавы, содержащие избыточное количество одного из
компонентов, превышающее предел растворимости (области II (2%-19% Sn) и
V (97,5%-100% Sn ).
Класс №3. Эвтектический сплав (эвтектика): точно 61.9% Sn.
Класс №4. До-эвтектические и за-эвтектические сплавы (области III и IV). Доэвтектические сплавы содержат меньшее количество олова по сравнению с
эвтектическим (от 19% до 61.9%), а за-эвтектические - больше (от 61.9 до 97.5)

6.

Класс №1. Твердые растворы (0% - 2% Sn).
Поведение этого класса аналогично поведению системы Cu-Ni, т.е. они
полностью растворимы в твердом состоянии. В процессе затвердевания в
зависимости от состава формируется одна фаза или . Для состава
1% Sn - фаза
Фаза представляет собой твердый раствор олова (Sn) в свинце (Pb).
Будем изображать ее тем же цветом, что и атомы
преобладающего элемента. Фазу будем обозначать
Фаза
Фаза
представляет собой твердый раствор свинца (Pb) в олове (Sn).

7.

КЛАСС №2. Сплавы, содержащие избыточное количество одного из
компонентов, превышающее предел растворимости: (2%-19% Sn).
1
ликвидус
2
солидус
сольвус
3
При понижении
температуры (стадия
1) жидкость начинает
затвердевать с
образованием
твердого раствора стадии 2 и 3 (ниже
линии солидуса).
Однако, растворимость олова в свинце ограничена. Она
составляет 19% при температуре 183°C (это максимум растворимости) и
понижается до 2% при температуре 0°C.
Поэтому при дальнейшем охлаждении (ниже линии сольвуса),
когда содержание второго компонента превышает его предел
растворимости, происходит распад твердого раствора с выделением
другой твердой фазы :
Т.обр., на 4 стадии охлаждения в поле основной фазы
тонкие выделения фазы
.
появляются

8.

КЛАСС №3. Эвтектический сплав: он содержит 61.9% олова (Sn) – т.е.
точно отвечает эвтектической точке.
1. Выше 183°C – жидкий
сплав
2. При охлаждении до
183°C происходит
эвтектическая
реакция:
l61.9% 19% 97.5%
3. Ниже 183°C сплав
твердый. Составы
обеих твердых фаз
(19% и 97.5% )
даются концами
эвтектической линии. Поскольку затвердевание
Т.е. - богатая
начинается и заканчивается T
свинцом фаза, а - при 183°C, кривая
богатая оловом фаза. охлаждения имеет вид, 183 0C
аналогичный кривым
охлаждения чистых
металлов и содержит плато.
Плато (тепловая задержка)
время

9.

Ламелларная (пластинчатая) структура эвтектики
При затвердевании из
жидкости
Pb преимущественно
диффундирует в –
пластинку,
Богатая свинцом зона
а Sn в –пластинку.
Процесс эвтектического
затвердевания продолжается
до тех пор, пока вся жидкость
не затвердеет в
ламелларную (пластинчатую)
структуру.
Микрофотография ламелларной
структуры эвтектического
сплава свинец-олово
(увеличение 400).
Ламелла
–тонкая
пластинка

10.

КЛАСС №4. До-эвтектические и за-эвтектические сплавы. Доэвтектические сплавы содержат меньшее количество олова по сравнению с
эвтектическим (от 19% до 61.9%), а за-эвтектические - больше (от 61.9 до 97.5)
При достижении ликвидуса при T=260° выделяются первичные кристаллы
-фазы, содержащие 12%Sn. Концентрация Sn в -твердом растворе
увеличивается до тех пор, пока не будет достигнута температура эвтектики
T=183°.
L61.9%
время
При T=183° соединительная линия показывает, что твердая фаза содержит
19%Sn, а жидкость - 61.9%Sn. При эвтектической температуре T=183° жидкость
всегда содержит эвтектической состав 61.9%Sn. Следовательно, при дальнейшем
охлаждении ниже эвтектической температуры T=183° оставшаяся жидкость
разлагается по эвтектической реакции, превращаясь в ламелларную смесь
и фаз. Эта ламелларная смесь окружает первичные кристаллы,
выделившиеся между 260° и 183° .

11.

Кривая охлаждения для до-эвтектического сплава представляет
собой комбинацию кривых для твердого раствора и эвтектического
сплава. При температуре ликвидуса T=260° , когда начинает
формироваться т/т фаза, происходит изменение наклона кривой, а при
эвтектической температуре T=183° образуется плато.
Микрофотографии (а) до-эвтектического и (b) за-эвтектического сплавов
свинец-олово. Темные пятна - -фаза (обогащенная свинцом), светлые –
-фаза (обогащенная оловом), тонкая структура между ними - ламелларная
эвтектическая структура

12.

Механические свойства эвтектик
Ламелларная структура обеспечивает как хорошую
прочность, так и пластичность.
Кроме того, эвтектики имеют более низкую температуру плавления,
чем компоненты.
Поэтому, например, Pb-Sn сплавы широко используются для пайки.
медные
трубки
Пламя
газовой
горелки
Pb-Sn
припой
Медь, нагретая пламенем горелки,
плавит Pb-Sn припой, который
благодаря капиллярным силам
затекает в тонкую щель. После
охлаждения трубки оказываются
достаточно крепко соединенными.
Примеры: Чугуны и сплавы алюминия с чугуном являются эвтектиками

13.

Ранее мы узнали, что сплавы могут быть упрочнены:
• -упрочнением при образовании твердого раствора;
• -холодной обработкой;
• -контролем затвердевания, приводящим к уменьшению
размера зерен
Если же содержание второго компонента
превышает предел растворимости, то управление
прочностными характеристиками может производиться
также контролем количества выделяющейся второй
фазы и ее свойств. Это называется дисперсным
упрочнением.

14.

Дисперсное упрочнение
Если растворимость в твердой фазе ограничена, то
образуется двухфазный сплав. Границы между фазами
мешают скольжению дислокаций и упрочняют материал.
Такое явление известно как дисперсное упрочнение.
Определения:
1. Матрица – это
непрерывная фаза,
присутствующая в
большом количестве.
2. Выделения – это
разрывная фаза,
присутствующая в малом
количестве.

15.

Матрица должна быть мягкой
и пластичной, а выделения
должны быть твердыми. Тогда
Мягкий трещины смогут появляться
Твердый только в ограниченном
Трещина
внутри
1 твердых объеме
зерен выделений. В случае
твердой матрицы трещины распространялись бы по всему объему.
должны быть
2 Выделения
маленькими и многочисленными,
увеличивая площадь поверхности,
которая тормозит скольжение.
Принципы дисперсного упрочнения
Хорошее
Твердый
Мягкий
Трещина
Иглоподобные
частицы
Плохое
3
Частицы выделений должны быть
округлыми, без острых концов.
Иначе трещина начнет расти.
4
Большое количество выделений
повышает прочность сплава.

16.

Для упрочнения часто используются
интерметаллические соединения, поскольку они
являются очень твердыми и хрупкими, а также
карбиды и бориды.
Соединения могут быть стехиометрическими и
нестехиометрическими.
Стехиометрические соединения имеют
фиксированный состав; например, сталь упрочняется
карбидом железа Fe3C
, имеющим соотношение 3
атома железа на 1 атом углерода.
Нестехиометрические соединения имеют широкую
область гомогенности.