Двоосновні Алюмінієві Фазні Діаграми: Рідкий Метастабільний, Твердий Метастабільний та Реакція Евтектики

Читання діаграми фаз: рідкий та твердий переходи та двофазна область

Двоосновна діаграма фаз зображує склад сплаву вздовж горизонтальної осі — від 100% елемента A зліва до 100% елемента B справа — проти температури на вертикальній осі. Дві найважливіші межі – рідкий перехід, верхня крива, над якою сплав повністю розплавлений, та твердий перехід, нижня крива, під якою він повністю твердий. Між ними знаходиться лінтова двофазна область, де рідина і тверда фаза співіснують у рівновазі.

Чистий метал плавиться при одній фіксованій температурі, оскільки рідкий та твердий переходи зустрічаються в одній точці. Сплав із проміжним складом замерзає в певному діапазоні: перші тверді кристали з'являються при температурі рідкого переходу, а продовження охолодження призводить до того, що залишок рідини поступово збагачується нижчометалічним елементом, поки остання рідина не затверджується на твердому переході.

Правило рівноваги

При будь-якій температурі всередині двофазної області, горизонтальна лінія рівноваги визначає відносні пропорції рідкої та твердої фаз. Це правило рівнянь, безпосереднє наслідування закону збереження маси:

f_solid = (C₀ − C_L) / (C_S − C_L) C₀ = загальний склад сплаву C_L, C_S = склади рідкої та твердої фаз на кінцях лінії рівноваги. Геометрія поводиться точно як збалансована чаша, тому й названо – частка однієї фази дорівнює довжині протилежної сторони, поділеній на загальну довжину лінії рівноваги. Це деталі, що заплутують багатьох студентів, які беруть до уваги ближчу сторону замість повної.

f_solid = (C₀ − C_L) / (C_S − C_L)

C₀ = overall alloy composition
C_L, C_S = liquid and solid compositions at the ends of the tie line

Реакція евтектики

У багатьох системах сплавів лише обмежена розчинність у твердому стані, тому два метали не можуть повністю розчинятися один в одному. У результаті рідкий лінійний ділиться на дві гілки, що сходяться від кожної температури плавлення чистого металу, і зустрічаються в низькій температурній мінімальній точці, яка називається евтектичною – від грецького «легкоплавлячий». Там єдине рідке перетворюється одночасно на дві окремі тверді фази: Рід → α + β за фіксованої температури та фіксованого складу.

Ця інваріантна реакція визначається правилом Гіббса, F = C − P + 1. При двох компонентах і трьох фазах в рівновазі одночасно, кількість ступенів свободи F падає до нуля – температура та всі три складові речовини унікально визначені. В результаті утворюється дрібнозерниста, часто шарувата інтерметалурдна структура двох твердих фаз, оскільки обидві повинні кристалізуватися разом з одного рідкого.

Чому інженери проєктують з урахуванням евтектики

Сріло-цинкові та свинцеві припої, а також припої на основі цинку, розташовуються біля евтектичних складів, щоб плавитися та застигати різко за однією низькою температурою, уникаючи тягучого, липкого стану, який би призвів до слабких з’єднань. Алюмінієво-силіцеві сплави для лиття обираються поблизу евтектичного складу для покращення протікання моделі та зменшення дефектів укорочень – це причина, чому вони домінують у виготовленні циліндрів двигунів автомобілів. ‘Білі метали’ на основі свинцю та цинку використовують м'яку евтектичну матрицю з твердими розсіяними фазами – баланс, який можна безпосередньо прочитати з діаграми. Навіть термічна обробка сталі походить від тих самих ідей, через реакцію евтектичного типу на діаграмах заліза та вуглецю.

Рівновага проти реального охолодження

Фазні діаграми описують рівновагу — надзвичайно повільне охолодження, яке дає час для дифузії, щоб кожен атом залишався у своєму ідеальному положенні. Реальні ливарні матеріали охолоджуються набагато швидше, що призводить до нерівноважних ефектів, таких як формування ядра, де центр зерна містить більше вищотемпературного елемента, ніж його краї, оскільки дифузія не може встигати за цим процесом. Розуміння того, коли припущення діаграми перестають діяти, так само важливе, як і читання самої діаграми.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте the simulation і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.