Тройные диаграммы

ых растворов, наличия пространственной диаграммы недостаточно для проведения конод в двухфазных областях. На рис. 195 показан вертикальный разрез, параллельный стороне АВ. Линии тп и ns лежат на поверхностях начала, а линия ms - на поверхности конца выпадения двойной эвтектики. Линии рп и qn лежат на поверхностях ликвидус, а линии tm и us - на поверхностях солидус однофазных сплавов. Отрезки Т₁ и Т₂ характеризуют интервалы затвердевания однофазных сплавов с в двойной системе А-С и k в системе В-С. Существенно отметить, что в горизонтальном разрезе трехфазная область обязательно ограничена прямыми, в то время как в вертикальном разрезе она ограничена в общем случае кривыми линиями.

На рис. 196 показана тройная  система другого типа с ограниченной растворимостью в твердом состоянии.

В этом случае граничные твердые растворы имеются в двух двойных эвтектических системах – А-В и В-С, а в третьей системе А-С имеет место неограниченная растворимость. На рис. 196 показаны однофазные области L, α и β, двухфазные L + α, L+ β и α+ β и трехфазная

Поверхность ликвидус L

Поверхность

солидус

Поверхность

 

 

 

 

растворипости

А

Поверхность

солидус

Поверхность

растворипости

Рис. 196. Диаграмма равновесия А—В—С с ограниченной растворимостью в твердом состоянии в системах А—В и В—С

 область L + α + β. Последняя в изолированном виде показана на рис. 197. Видно, что поверхности начала и поверхность конца выпадения двойной эвтектики образованы прямыми линиями. Эти образующие являются сторонами конодных треугольников в изотермических сечениях этой области. Вершина тупого угла треугольника лежит на линии двойной эвтектики (е₁е₂ на рис. 196) и соответствует составу жидкой фазы, находящейся в равновесии сαиβ. Две другие вершины каждого конодного треугольника дают состав фаз αиβ. Они лежат на линиях ab и cd (см. рис. 196 и 197). Из рис. 196 видно, что растворимость в твердых растворах α и β увеличивается с температурой. На рис. 198 показан ряд последовательных изотермических сечений рассматриваемой системы при понижающихся температурах (от Т₁ до Т ₇). В этом случае эвтектическая температура в двойной системе А—В выше, чем в системе В-С (Те₁ > Те₂). Из приведенных на рис. 198 сечений видно, что Т₁ >Те₁ и Т₇ < Те₂. Температуры Т₂, Т₃, Т₄, Т₅ и Т₆ пературы

 лежат между Те₁ и Те₂. На рис. 198 можно проследить за затвердеванием сплава, состав которого обозначен кружком.

Сплав содержит приблизительно 28% С, 36% В и

36% А. При Т₁ сплав жидкий,

при Т₂ начинается выпадение избыточной фазы а (кружок на границе области L + α). При Т₃по правилу рычага α составляет около 20% и L около 80%. При Т₄ количественное соотношение фаз α и L приблизительно такое же, и при этой температуре начинается выделение β-фазы (кружок лежит на стороне α₄L₄ конодного треугольника). При Т₅ уже выпало заметное количество эвтектики α + β и количество фазы состава β₅ (по правилу центра тяжести) составляет 20%, жидкости L₅ также 20% и 60% фазы α₅. При Т₆ затвердевание закончено, кружок находится на стороне α₆β₆ конодного треугольника, т. е. количество жидкой фазы L₆ = 0 (количество α₆ = 75% и β₆ = 25%). При Т₇ состав фаз α и β изменился вследствие понижения растворимости с температурой. Количественное соотношение фаз определяется конодой α₇β₇. Количественное соотношение структурных составляющих зависит от относительных количеств жидкой и твердой фаз перед началом выпадения эвтектики (при T₄). Вертикальный угловой разрез через вершину В и рассмотренный сплав (х) приведен на рис. 199. Из этого разреза, специальное объяснение которого не требуется, видно, что в жидком сплаве х при охлаждении сначала выделяется фаза α, затем двойная эвтектика α + β (в трехфазной областиα + β + L) и далее в твердом сплаве меняется состав фаз αиβ. Сопоставление рис. 198 и 199 показывает, что изотермические разрезы позволяют всесторонне охарактеризовать фазовое равновесие (состав и количество фаз), а политермический разрез указывает температурные границы фазовых областей, т. е. критические точки.

Встречается еще один случай ограниченной растворимости в тройной  системе, аналогичный только что  рассмотренному. И в данном случае имеются неограниченная растворимость в твердом состоянии в одной из бинарных систем (допустим, А—В) и ограниченная растворимость в системах А-С и В-С. Отличие от уже рассмотренной тройной системы состоит только в том, что эти

две системы не эвтектического, а пе- ритектического типа. Два таких случая сопоставляются на рис. 200.

Кроме тройных моделей, на рисунке показаны угловые разрезы X-В и W-В (очерчены пунктирными линиями). В модели перитектического типа, так же как и в эвтектической, кроме поверхностей ликвидус, солидус и ограниченной растворимости в твердом состоянии, имеется трехфазная область L + α + β. Различие заключается в том, что трехфазный криволинейный треугольник L + α + β обращен тупым углом не кверху, как в эвтектической системе, а книзу. На рис. 201 даны горизонтальные сечения перитектической диаграммы при понижающихся температурах Т₁, Т₂, Т₃,Т₄ и Т₅. Нетрудно видеть, что Т₁- выше температурного интервала перитектического превращения, Т ₂- Т ₄ лежат внутри этого интервала, а Т₅ -ниже него. При Т₅ все сплавы уже затвердели. Сравнивая эти сечения с изображенными на рис. 198, можно видеть, что конодные треугольники, так же как и треугольники на вертикальных разрезах, перевернуты. Пользуясь методом, описанным выше (с. 200), можно и в данном случае проследить за фазовыми превращениями в сплавах перитектической системы.

Рассмотрим случай ограниченной растворимости в тройной системе, в которой все три двойные системы обладают ограниченной растворимостью и образуют эвтектики. На рис. 202 показана пространственная модель такой системы и ее проекция на горизонтальную плоскость (в основании модели). Как видно, эта трехмерная диаграмма похожа на тройную эвтектическую диаграмму с отсутствием растворимости в твердом состоянии (см. рис. 169).

 

На рис. 203 в треугольнике ABC дана полная горизонтальная проекция, которая также похожа на проекцию более простой диаграммы с тройной эвтектикой (см. рис. 171). Линии двойной

 

 

 

 

Рис. 200. Тройные диаграммы равновесия А— В—С с ограниченной растворимостью в твердом состоянии в двух двойных системах А—В и

В—С и их вертикальные разрезы:

а — диаграмма эвтектического типа; б — перитекти- ческого

 

Рис. 201. Изотермические сечения  ттеритектической диаграммы

рис. 200

эвтектики е₁Е, е₂Е и е₃Е получаются в результате пересечения поверхностей ликвидус. По пунктирным прямым аЕ, bЕ и сЕ пересекаются поверхности начала выпадения разноименных двойных эвтектик (α-γ  с α-β, α-β с β-γ и β-γ с γ-α), так же как на рис. 171. Эти поверхности тоже линейчатые, т. е. образованы

прямыми линиями. Имеется, однако, ряд  отличий. В рассматриваемой диаграмме есть три фазовые области граничных

Рис. 203. Проекция на концентрационный треугольник диаграммы, приведенной на рис. 202, и ее вертикальный разрез тп

тройных твердых растворов  α, β и γ на основе компонентов А, В и С. В данном случае трехкомпонентные сплавы не содержат фаз А, В и С; их место занимают α, β и γ, которые совместно или сочетаясь попарно, а также вместе с жидкой фазой образуют гетерогенные области. Фазовая область раствора β представлена на рис. 204 (она повернута по отношению к показанной на рис. 202) На рис. 205 изображена двухфазная область первичной кристаллизации L + β. Эти области легко узнать на пространственной диаграмме по буквенным обозначениям. Двухфазное равновесие в областях L + α, L + β и L + γ двувариантно (С = 3 + 1 - 2) и поэтому при изотермическом сечении на поверхностях ликвидус и солидус появляются сопряженные линии, которые могут быть соединены конодами. На рис. 202 такие сечения в области L + γ даны при двух температурах. Аналогичные области L + α и L + βвидны в изотермическом сечении (рис. 206), проведенном выше температуры наиболее тугоплавкой эвтектики в двойной системе (А-С). Здесь наряду с тремя двухфазными областями имеются

четыре однофазные области α, β, γ и L. При более низкой температуре в сечении появляются также трехфазные области. Так, на рис. 207 видны две трехфазные области - L + α + γ и L β+ γ которые соответствуют выпадению

двойных эвтектик α + γ и β + γ. Легко понять, что температура сечения на рис. 207 выше температуры Tе₁ и ниже двух других эвтектических температур Те₂ и Те₃. В сечении при температуре ниже Te₁(эвтектика в системе А-В), но выше температуры тройной эвтектики Е получаются три трехфазные области: L + α +β, L + β + γ и L + γ + α, что видно из рис. 208, а, который похож на рис. 174. Различие заключается в появлении трех однофазных областей: α, β и γ и трех двухфазных: α + β, γ + β и α + γ.

Трехфазная область L + α + γ показана на рис. 209. Для наглядности в тройной диаграмме удалены поверхности ликвидус, передняя часть диаграммы (В + С) и поверхности двойной

Рис. 208. Изотермические разрезы  диаграммы рис. 202:

а — при температуре образования трех двойных эвтектик; б — ниже температуры тройного эвтектического превращения

эвтектики α + β и β + γ. При таком построении поверхности начала выпадения двойной эвтектики α + γ(а'е'₃с' bЕаа') хорошо видны. Видна также поверхность конца выпадения эвтектики α +β (слева - afgd). Трехфазная область L + α + γ начинается на линии двойной эвтектики (а'е'₃с) в системе А + С и представляет собой фигуру треугольного сечения. Основанием этой фигуры служит треугольник аЕb, лежащий в плоскости тройной эвтектики. Изотермические сечения этой области показаны конодными треугольниками, вершины которых е', е", е"' лежат на линии двойной эвтектики е'₃Е тройной системы. Один из конодных треугольников с вершиной е" заштрихован. Пунктирные основания этих треугольников соединяют точки, соответствующие составам фаз α и γ, а стороны, нанесенные сплошными линиями, - жидкой фазы и твердых растворов α и γ, находящихся в равновесии. Эти сплошные линии лежат на поверхности двойной эвтектики α + γ.

Сечение ниже температуры  тройной эвтектики показано на рис. 208, б. Двухфазные области заштрихованы конодами. Для определения количества каждой из трех фаз (α, β или γ) в трехфазных сплавах нужно воспользоваться правилом центра тяжести. Состав каждой из фаз α, β или у во всех трехфазных сплавах после затвердевания одинаков и определяется вершиной трехфазного треугольника на рис. 208, б, который является конодным. Можно воспользоваться приемом, описанным на с. 180, для приблизительного определения количества структурных составляющих. При этом вместо концентрационного нужно пользоваться конодным

В С

Рис. 209. Поверхности двойных  эвтектик: начала выпадения кристаллов а и у (справа) и конца выпадения кристаллов аир (слева)

 

треугольником α + β + γ на горизонтальной проекции диаграммы (см. рис. 202).

На рис. 203 приведено вертикальное сечение по линии тп, параллельной стороне АС. Отличие от аналогичного сечения в более простой системе (рис. 175, а) заключается в появлении двухфазных областей справа и слева (α + β и γ + β) и своеобразии областей L + α+βиL + β + γ (вместо L + А + ВиL+ В + С). Следует обратить внимание на то, что в данном случае предельная растворимость в твердом состоянии почти не зависит от температуры.

В большинстве реальных случаев  это не так, и в качестве примера на рис. 210 приведена проекция диаграммы для системы сповышающейся растворимостью при нагреве. Сплошными линиями нанесены фазовые области при более высокой температуре и пунктирными при более низкой. Видно, что однофазные области α, β и γ расширяются, а трехфазная область α + β + β (knm) сужается при нагреве.

Если наряду с ограниченными  твердыми растворами в одной из двойных  систем имеется промежуточная фаза, то получается

 

Рис. 211. Изотермический разрез диаграммы равновесия тройной системы с промежуточной фазой в одной из двойных систем cl*AC*L AC + l+j

 

 

диаграмма, похожая на приведенную на рис. 176 и 177. При такой аналогии формально можно принимать промежуточную фазу за твердый раствор на основе химического соединения. На рис. 211 дан изотермический разрез диаграммы с промежуточной фазой АС при температуре ниже температур всех двойных эвтектик в двойных системах и выше температур обеих тройных эвтектик. Этот разрез и разрез, приведенный на рис. 180 справа, похожи. Двухфазные области заштрихованы, трехфазные представляют собой линейные треугольники. Читатель самостоятельно может восполнить недостающие обозначения фазовых областей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЛИТЕРАТУРА

Аносов В. Я. и Погодин С. А. Основные начала физико-химического анализа. Изд-во АН СССР, 1947.

Б о ч в а р А. А. Исследование механизма и кинетики кристаллизации сплавов эвтектического типа, ОНТИ, 1935.

Воловик Б. Е. и Захаров М. В. Тройные и четверные системы. Металлургиздат, 1948.

Р а й н з Ф. Диаграммы фазового равновесия в металлургии. Металлургиздат, 1961