Пример выполнения домашнего задания

«Анализ двойных диаграмм»

Задание №10–Д

1. Общий анализ диаграммы состояния системы «Ti – W».

2. Для сплава, содержащего 40 % W:

· описать процесс кристаллизации при очень медленном охлаж­дении и, пользуясь правилом фаз, построить кривую охлаж­дения с указанием фазовых превращений на всех участках кривой;

· указать, из каких фаз будет состоять сплав при температу­ре 1200 °С, состав фаз и их количество (вес) на 1 килограмм сплава.

1. Общий анализ диаграммы.

Титан и вольфрам неограниченно растворяются в жидком состоянии, образуя неограниченный жидкий раствор Ж. В твёрдом состоянии они растворяются друг в друге ограниченно, образуя три ограниченных твёрдых раствора: α-твёрдый растворв α-модификации титана, β-твёрдый растворвольфрама в β-модификации титана и γ-твёрдый раствор титана в вольфраме. Химических соединений титан и вольфрам не образуют.

В системе «Титан – вольфрам» протекают два нонвариантных превращения: перитектическое и эвтектоидное.

При температуре 1880 °С протекает перитектическая реакция, заключающаяся в том, что жидкий раствор Ж, содержащий 25 % вольфрама, взаимодействует с ранее выпавшими из него кристаллами γ-твёрдого раствора, содержащего 92 % вольфрама, в результате чего образуется новая фаза – кристаллы β-твёрдого раствора, содержащие 50 % вольфрама:

При температуре 715 °С протекает эвтектоидное превращение, при котором β-твёрдый раствор, содержащий 28 % вольфрама, распадается в смесь α-твёрдого раствора, содержащего 0,8 % вольфрама, и γ-твёрдого раствора, содержащего 96 % вольфрама:

2. Описание процесса кристаллизации сплава с 40 % вольфрама.

При температурах выше 2350° сплав находится в жидком состоянии и состоит из одной фазы – жидкого раствора Ж. На этом участке охлаждения в сплаве не происходит никаких фазовых превращений, наблюдается простое физическое охлаждение жидкого раствора. Система бивариантна: , где .

При достижении температуры 2350 °С в сплаве начинается процесс первичной кристаллизации, который состоит в том, что из жидкого раствора будут выпадать первичные кристаллы γ-твёрдого раствора (Ж → γ).
Этот процесс является моновариантным: ,

где , сопровождается выделением тепла и идёт в интервале температур. На кри­вой охлаждения при температуре 2350 °С будет наблюдаться перегиб. Выпадение γ-твёрдого раствора из жидкого раствора будет продолжаться до температуры 1880 °С, при этом состав жидкого раствора будет изме­няться по отрезку линии ликвидус от точки 1 к точке 2', а состав кристаллов γ-твёрдого раствора – по отрезку линии солидус от точки 1'' к точке 2". К моменту достижения сплавом температуры 1880 °С он состоит из первичных кристаллов γ-твёрдого раствора и жидкого раствора.

При температуре 1880° в сплаве будет протекать перитектическое превращение: жидкий раствор будет взаимодействовать с кристаллами
γ-твёрдого раствора, в результате чего будут образовываться крис­таллы
β-твёрдого раствора:

Это превращение нонвариантно: , где , поэтому идёт при постоянной температуре и указанных концентрациях фаз. На кривой охлаждения температуре 1880 °С будет соответствовать горизонтальная площадка. Поскольку в сплаве жидкого раствора больше, чем необходимо для перитектического превращения, сплав в момент окончания превращения (точка 2' на кривой охлаждения – рисунок) будет состоять из кристаллов β-твёрдого раствора и остатка жидкого раствора.

При охлаждении от 1880 °С до 1820 °С остаток жидкого раствора будет кристаллизоваться в β-твёрдый раствор. Превращение моновариантно: , где , сопровождается выделением тепла и идёт в интервале температур, при этом состав жидкого раст­вора будет изменяться по линии ликвидус от точки 2' до точки 3' (см. рисунок), а состав кристаллов β-твёрдого раствора – по линии солидус от точки 2'" до точки 3. К моменту достижения температуры 1820° сплав состоит только из кристаллов β-твёрдого раствора.

В интервале температур 1820 °С до 1500 °С ни каких фазовых превращений в сплаве не происходит, идёт простое физическое охлаждение нена­сыщенного β-твёрдого раствора. Система бивариантна: , где ) и при температуре 1820 °С на кривой охлаждения будет перегиб.

При температуре 1500 °С β-твёрдый раствор достигнет предела насыщения и в связи с тем, что при дальнейшем понижении температуры растворимость вольфрама в титане понижается, β-твёрдый раствор становится пересыщенным и избыток вольфрама выделяется из него со вто­ричными кристаллами γ-твёрдого раствора ( ).

Рис. Диаграмма состояния системы «Ti – W» и кривая охлаждения сплава с 40 % W.

Состав β-твёрдого раствора будет изменяться по линии сольвус от точки 4 к точке 5'''. В связи с понижением растворимости титана в вольфраме γ-твёрдого раствора будут выпадать вторичные кристаллы β-твёрдого раствора ( ). Состав γ-твёрдого раствора будет меняться по другой линии сольвус от точки 4'' к точке 5". Сплав моновариантен: где , процессы идут в интер­вале температур, а на кривой охлаждения при 1500 °С будет перегиб.

К моменту достижения сплавом температуры 715 °С его структура состоит из кристаллов β-твёрдого раствора, образовавшегося в результате перитектического превращения при 1860 °С, и тех кристаллов β-твёрдого раствора, в которые закристаллизовался остаток жидкого раствора в интервале 1880 °С – 1820 °С. Кроме того, в структуре сплава будут вторич­ные кристаллы γ- и β-твёрдых растворов, выпавшие в интервале 1500 °C –715 °C. При температуре 715 °С в сплаве будет протекать эвтектоидное превращение: β-твёрдый раствор будет распадаться в смесь кристаллов

α- и γ-твёрдых растворов:

Эвтектоидное превращение нонвариантно: , где , идёт при постоянной температуре 715 °С и указанных концентрациях фаз и поэтому температуре 715 °С на кривой охлаждения будет соответствовать горизонтальная площадка. В момент окончания эв-тектоидного превращения (точка 5' на кривой охлаждения – рисунок) структура сплава будет состоять из вторичных кристаллов γ-твёрдого раствора и эвтектоида

При дальнейшем охлаждении ниже 715 °С вследствие понижения растворимости вольфрама в титане из α-твёрдого раствора будут выпадать третичные кристаллы γ-твёрдого раствора и состав его будет изме­няться по линии сольвус от точки 5' до точки 6' (см. рисунок), а вследствие понижения растворимости титана в вольфраме из γ-твёрдого рас­твора будут выпадать вторичные кристаллы α-твёрдого раствора.

Ниже 715 °С сплав моновариантен: и состоит из двух фаз (α- и γ-твердые растворы). Описанные процессы ( сопровождаются выделением тепла и идут в интервале темпе­ратур.

Так как после эвтектоидного превращения в сплаве нет структурно самостоятельных кристаллов α-твёрдого раствора, а есть лишь мелкие кристаллы α-твёрдого раствора, входящие в состав эвтектоида и при средних увеличениях невидимые в микроскоп, то выпадающие из них еще более мелкие третичные кристаллы γ-твёрдого раствора тем более не будут видны; они останутся внутри эвтектоида и сольются с эвтектоидными кристаллами γ-твёрдого раствора.

Таким образом, окончательная структура сплава будет состоять из вторичных кристаллов γ-твёрдого раствора, эвтектоида и вторичных кристаллов α-твёрдого раствора:

3. Определение состава и количества фаз на 1 килограмм сплава.

При температуре 1200° сплав с 40 % вольфрама:

· состоит из двух фаз: (β-твёрдого раствора и γ-твёрдого раствора;

· β-твёрдый раствор содержит 34 % W и 66 % Ti;

· γ-твёрдый раствор содержит 95 % W и 5 % Ti;

· вес β-твёрдого раствора: ;

· вес γ-твёрдого раствора: .

Для выработки навыка разбора процессов, происходящих при охлаждении конкретного сплава, необходимо обязательно выполнение следующих действий: строить кривую охлаждения разбираемого сплава; против участков кривой охлаждения схематично изображать состояние фаз (структуру) сплава; письменно объяснять процесс, происходящий в сплаве при рассматриваемых температурных условиях.

П.3. Диаграмма «Железо – азот»

П.4. Диаграмма «Медь – бериллий»

П.5. Диаграмма «Медь – алюминий»