Правило отрезков

Категория:
Металлы


Правило отрезков

Непосредственный химический анализ и взвешивание жидкой и твердой фаз на любой стадии кристаллизации сплавов могли бы дать точный ответ об их составе и относительных весовых количествах. Однако эти способы громоздки и длительны. Кроме того, практически они далеко не всегда осуществимы.

Можно легко избегнуть химического анализа и непосредственного взвешивания, если применить к уже имеющейся диаграмме состояний «правило отрезков», также называемое «правилом рычага».

Правило отрезков позволяет легко определить:
1) состав (концентрацию) твердой и жидкой фаз при любой температуре кристаллизации и
2) относительные весовые количества твердой и жидкой фаз при любой температуре кристаллизации.

Процесс кристаллизации из жидкого раствора может быть прослежен с помощью правила отрезков на любой диаграмме состояний. Правило отрезков применимо и для некоторых областей таких Диаграмм, где кристаллизация протекает не только из жидкого, Но также из твердого раствора (диаграмма IV типа).

Рис. 1. Применение правила отрезков к диаграммам III типа (а) и I типа (б)

Возможность определения весовых количеств твердой и жидкой фаз является второй особенностью правила рычага. Оказывается, что горизонталь fg, проведенная через фигуративную точку Ь, может быть принята за характеристику полного весового количества изучаемого сплава. Тогда отрезки этой горизонтали bf и bg будут соответственно характеризовать весовые количества твердой и жидкой фаз, выраженные в долях или процентах от полного веса сплава.

Другими словами, сплав, достигший температуры а, готов к кристаллизации, но еще не начал кристаллизоваться и целиком находится в жидком состоянии.

Из изложенного видно, что состав кристаллов твердого раствора при затвердевании изменяется по линии солидус от точки е до точки d, а состав жидкой фазы — по линии ликвидус от точки а до точки k. Состав твердого раствора в конце кристаллизации оказывается равным составу исходного жидкого раствора вследствие выравнивания концентрации при очень медленном охлаждении за счет явления диффузии как между жидкостью и твердым раствором, так и между кристаллами твердого раствора.

Подобно изложенному правило отрезков прилагается и к диаграмме I типа. Горизонталь проводится через фигуративную точку до пересечения с линией ликвидус и начальной координатой. Точки пересечения с ликвидусом (точки а, f< h, Е), снесенные на ось абсцисс, будут характеризовать концентрацию жидкой фазы, постепенно меняющуюся в процессе кристаллизации по линии ликвидус от исходного (точка а) до эвтектического состава (точка Е). Точки пересечения с началь-ной ординатой (точки е, g, i, k), снесенные на ось абсцисс, показывают, что в течение всего процесса кристаллизации из спла-83 ‘”“Делаются кристаллы чистого компонента В.

Указанное отношение, наблюдаемое на последней стадии кристаллизации сплавов—смесей, является отношением весов избыточного компонента и эвтектики в полностью затвердевшем сплаве. Поэтому правило отрезков позволяет предвидеть для сплавов заданного состава соотношение площадей, занимаемых в микроструктуре сплава избыточным компонентом и эвтектикой (при равенстве плотностей компонентов).

Наоборот, наблюдая микроструктуру сплава—смеси и замерив по ней площади, занимаемые обеими структурными составляющими (избыточным компонентом и эвтектикой), можно определить состав сплава. При близости удельных весов компонентов этот прием просто и быстро дает достаточно точный ответ. При значительной разности удельных весов необходимо при переходе от замеренных площадей к весовым количествам вносить соответствующую поправку.

Таким образом, для сплава заданного состава правило рычага позволяет определить соотношение весовых количеств и химический состав фаз в процессе кристаллизации и предсказать характер структуры после полного затвердевания.

Кроме того, для диаграмм состояний с эвтектической горизонталью при его помощи можно, не делая химического анализа, определить по структуре химический состав сплава.

Рассмотрим приложение этого правила для объяснения важного явления дендритной неоднородности (ликвации), наблюдаемого при кристаллизации сплавов — твердых растворов. Для этого разберём кристаллизацию при двух скоростях охлаждения.

Рис. 2. Схема возникновения дендритной ликвации: а — изменение концентрации твердого раствора при понижении температуры; б — распределение концентрации по кристаллу твердого раствора

Результат этих двух процессов охлаждения получается различный.

По теории Д. К. Чернова кристаллы зарождаются в жидком сплаве и растут в виде дендритов. Правило рычага показывает, что оси дендритов будут иметь один химический состав, а периферия—другой: оси дендритов в случае диаграммы III типа оказываются богаче более тугоплавким компонентом.

При медленном охлаждении за счет полного протекания всех процессов диффузии произойдет выравнивание концентраций. Однако в условиях практики, когда охлаждение протекает более быстро, химический состав твердого раствора по сечению одного и того же кристалла получается различным: Центральные части кристалла (оси) будут богаты более тугоплавким компонентом В (концентрация Г), а периферийные — более легкоплавким А. Средний химический состав каждого кристаллита будет одинаков с составом исходного сплава.

Эта неоднородность может быть легко выявлена при помощи Равления макро- и микрошлифов сплава. Она оказывает не-агоприятное воздействие на свойства сплава: сплав плохо Дается горячей обработке давлением — прокатке, прессования и ковке и т. д. — и растрескивается.

Поскольку дендритная ликвация вредна, нужно знать, как с ней бороться. Причина возникновения дендритной ликвации — быстрое охлаждение, не позволяющее достаточно полно осуществиться процессам диффузии. Следовательно, в качестве метода борьбы целесообразно выбрать высокий нагрев, который обеспечил бы выравнивание состава за счет диффузии.

Температура такого нагрева должна быть достаточно близка к линии солидус, но никоим образом не выше ее, чтобы не про изошло даже частичного расплавления нагреваемого сплава.

Выдерживать деталь при этой температуре нужно в течение нескольких часов, а иногда и десятков часов. В результате такого высокого и длительного нагрева получается однородный или гомогенный твердый раствор. Этот процесс называется гомогенизирующим отжигом.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум