Реферат: Диаграмма состояния с перитектической кристаллизацией и образованием стойких и нестойких химических соединений

Министерство образования и науки Украины

Донбасский государственный технический университет

Кафедра ОМД

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине

"Металловедение"

на тему:

"Диаграмма состояния с перитектической кристаллизацией и образованием стойких и нестойких химических соединений"

Алчевск 2009

1. Диаграмма состояния сплавов, образующих ограниченные твердые растворы и перитектику

Рисунок 1. Диаграмма с перитектическим превращением

Линии диаграммы:

Линия T_A PT_B – линия ликвидус.

Линия T_A КТT_B – линия солидус.

Линия KW – характеризует предельную растворимость компонента В в А (т. К ).

Линия TN – характеризует предельную растворимость компонента А в В.

Линия PKT – линия перитектического превращения. При перитектической температуре существует три фазы постоянного состава: жидкая Ж_Р , твердый раствор α_К и твердый растворβ _т , что возможно только при постоянной температуре (выполняется условие: С = 2 – 3 + 1 = 0).

Перитектическое превращение заключается во взаимодействии ранее выделившейся твердой фазы с жидкой фазой сплава определенного состава, в результате чего образуется новая твердая фаза.

Рассмотрим процесс кристаллизации некоторых сплавов.

Сплав 1

При t₁ в жидком сплаве имеется равновесный набор фазовых и концентрационных флуктуаций.

При t₂ – количество и размер фазовых и концентрационных флуктуаций возрастает в отношении компонента В (β -фазы).

При t₃ жидкость пересыщается компонентом В , в результате чего начинается процесс рекристаллизации.

Количественное соотношение фаз при t₃ :

,

.

Состав жидкой фазы определяется точкой – а , и изменяется по линии ликвидус aP ; состав β твердого раствора определяется точкой – б и изменяется по линии б T .

При t₄ :

,

.

При температуре несколько ниже t₄ (на 10–30°С) происходит перитектическая реакция:

В результате такого превращения все кристаллы β состава точки Т прореагировали с жидкой фазой состава точки Р в результате чего, образовалось структура – 100% α-твердого раствора состава точки К . Строим кривую охлаждения (см. рис. 1).

Сплав 2

Сплав, имеющий концентрацию между точками КТ .

При t₁ – аналогично сплаву I.

При t₂ – количество и размер флуктуаций увеличивается.

При t₃ – начинается процесс кристаллизации:

,

.

При t₄ (канода РТ ):

,

.

Перитектическое превращение:

Количественное соотношение фаз после превращения (несколько ниже t₄ , канода – КТ ):

,

.

Таким образом, для данного сплава будет иметься переизбыток β-фазы (надо 35%, есть 85%), поэтому после реакции в избытке остаются β -кристаллы. Кривая охлаждения и структуры сплавов приведены на рисунке 1.

Сплав 3

Сплав имеющий концентрацию между точка Р и К .

При t₁ , t₂ , – аналогично сплаву I, II.

При t₄ в равновесии находятся Ж (жидкая фаза) состава точки Р , и кристаллы β состава точки Т :

,

.

Ниже t₃ протекает перитектическое превращение

Количественное соотношение фаз после превращения (канода РК ):

,

.

После превращения в сплавах имеется в избытке жидкая фаза. Т.о., процесс кристаллизации сплавов при температуре t_n не заканчивается и при дальнейшем понижении температуры из жидкого сплава кристаллизуется α-твердый раствор. Кривая охлаждения сплава на рисунке 1.

2. Диаграмма состояния с образованием стойких химических соединений (постоянная температура плавления) определенного состава

Химическое соединение, как было указано выше характеризуется определенным соотношением компонентов, а это отражается на диаграмме вертикальной линией, проходящей на оси абсцисс через точку, отвечающую соотношению компонентов в химическом соединении. Формула химического соединения A_n B_m (n атомов компонента А и m атомов компонента В ).

Химическое соединение устойчиво, если его можно нагреть без разложения до полного расплавления. Возможно образование нескольких химических соединений между двумя компонентами.

Предположим, что оба компонента образуют одно устойчивое химическое соединение A_n B_m , причем и это соединение, и чистые компоненты не образуют в твердом состоянии растворов.

Компоненты системы А и В . Твердые фазы: А , В , A_n B_m .

Точка D – температура плавления стойкого химическое соединения (плавится при постоянной температуре. Химическое соединение можно рассматривать, как один компонент: С = 1 + 1 – 2 = 0.

Линия T_A CDST_B – линия ликвидус.

T_A C – линия насыщения жидкого сплава компонентом А .

CDS – линия насыщения жидкого сплава стойким химическим соединением A_n B_m .

Линия DQF – стойкое химическое соединение.

Рисунок 2. Диаграммасостояния с образованиемстойкогохимическогосоединения

Линия MCF– линияэвтектическогопревращения (I): I:

МС – доэвтектические сплавы, структура: .

CF – заэвтектические сплавы, структура: A_n B_m + э (А+ A_n B_m ).

Линия DS – линия насыщения жидкого сплава стойким химическим соединением A_n B_m .

Линия ST_B – линия насыщения жидкого сплава компонентом В .

Линия QSN – линия эвтектического превращения (II):

II:

QS – доэвтектические сплавы, структура:

A_n B_m + э(A_n B_m +В).

SN – заэвтектические сплавы, структура:

В+ э(A_n B_m +В).

Таким образом, диаграмма с химическим соединением представляет собой, как бы приставленные одна к другой две простые диаграммы. Можно рассматривать каждую часть диаграммы отдельно.

3. Диаграмма состояния с образованием стойкого химического соединения с переменным составом

Компоненты в твердом состоянии образую ограниченные твердые растворы, а также растворы на базе химического соединения: α и β на базе А и В , γ на базе А _n B_n .

Рисунок 3. Диаграмма состояния с образованием стойкого химического соединения с переменным составом

Линия ликвидус – T_A EDST_{B .}

Линия солидус – T_A CEFDKSQT_B .

Линии превращений:

I: CEF– линия эвтектического превращения:

Структура сплавов:

Доэвтектические – α+э (α+A_n B_m ); эвтектический – э(A_n B_m +α); заэвтектические – A_n B_m +э (α+A_n B_m ).

Фазовый состав: α+A_n B_{m .}

II: KSQ – линия эвтектического превращения:

Структура сплавов:

Доэвтектические – A_n B_m + э(A_n B_m +β), эвтектический – э(A_n B_m +β), заэвтектические – β+ э(A_n B_m +β).

Фазовый состав: β+A_n B_{m .}

Линия QL – изменение состава β-фазы.

Область WFDKM – химическое соединение с переменным составом, с постоянной температурой плавления (t_пл ) в точке D.

4. Диаграмма состояния с образованием нестойкого химического соединения

Рисунок 4. Диаграмма состояния с образованием нестойкого химического соединения

Неустойчивое химическое (линия SFF') соединение A_n B_m при нагреве до определенной температуры т. S (t₄ ) разлагается на жидкость и одну из твердых фаз, т.е. не расплавляется полностью.

T_A – температура плавления компонента А .

T_B – температура плавления компонента В .

T_A CКT_B – линия ликвидус.

T_A ЕCFSQT_B – линия солидус.

ECF – линия эвтектического равновесия (превращения):

Сплавы: Е'С' – доэвтектические; C'F' – заэвтектические.

Сплав приходящий через т. С' – эвтектический.

Фазовые составляющие: δ + A_n B_{m .}

Структурные составляющие:

– доэвтектические сплавы δ+э (δ+A_n B_m ),

– эвтектический сплав э (δ+A_n B_m ),

– заэвтектический сплавы A_n B_m +э (δ+A_n B_m ).

Линия КSQ – линия перитектического равновесия (правильно равновесия, т. к. превращения происходит при более низкой температуре).

Превращение (образование нестойкого химического соединения):

Образование нестойкого химического соединения связывается с перитектическим превращением.

Рассмотрим кристаллизацию сплавов.

Сплав 1

Проходит через точку S и образует 100% нестойкого химического соединения.

При охлаждении от t₁ до t₂ – количество и размер фазовых и концентрационных флуктуаций увеличивается.

При t₂ – жидкость насыщается компонентом В.

При t₃ – начинается процесс кристаллизации с выделением – первичных кристаллов β-фазы:

точка а определяет состав жидкой фазы;

точка б определяет состав кристаллов β-фазы;

,

.

При t₄ (точка S) состав жидкой фазы определяется точкой К, а β-фазы – точкой Q:

,

,

т.е. – только при таком составе жидкой и твердой фаз образуется 100% нестойкого химического соединения A_n B_m .

Сплав 2

В интервале от t₁ до t₂ увеличивается количество и размер фазовых и концентрационных флуктуаций.

В t₂ – жидкость пересыщается компонентом В .

В t₃ – начинается процесс кристаллизации.

Точка е – определяет состав β-фазы.

Точка f – определяет состав жидкой фазы.

С понижением температуры, состав твердой фазы меняется по линии солидус: eQ , состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус fK .

При перитектическом превращении β фаза имеет состав точки Q , жидкая фаза – состав точки К .

При t₄ :

,

,

.

После превращения:

,

.

Сплав 3

Участки t₁ – t₂ , t₃ – аналогично сплавам I и II.

При перитектической температуре состав β-фазы определяется точкой Q , жидкой – точкой К .

При t₄ :

,

.

Реакция: .

После превращения (ниже t₄ ), за каноду принимаем – KS (100%), в этом случае количество жидкой фазы:

.

Количество A_n B_m :

.

Охлаждение сплава идет до температуры t₅ с выделением из Ж кристаллов A_n B_{m ;} при t₅ количество фаз определится:

.

Ниже t₅ , жидка фаза состава точки С, превращается в эвтектику – э (δ+A_n B_m ): , т.е. эвтектика составит – 20% ().

Количество структурных составляющих:

,

.

При дальнейшем охлаждении структура сохраняется неизменной: A_n B_m – 80%, э (δ + A_n B_m ) – 20%. Строим кривую охлаждения.