Концентрационный треугольник

Понятие о диаграммах состояния трехкомпонентных cплавов

В технике широко используют многокомпонентные (трехкомпонентные, четырехкомпонентные, а иногда и более сложные) спла­вы. Так, большинство легированных сталей относится к многоком­понентным сплавам. Поэтому изучение диаграмм состояния много­компонентных сплавов имеет большое теоретическое и практическое значение.

В настоящее время имеется значительное число изученных диа­грамм состояния трехкомпонентных систем; что касается диаграмм состояния четырехкомпонентных и более сложных систем, то они исследованы еще сравнительно мало. Недостаточная изученность диаграмм состояния сложных систем часто заставляет прибегать к диаграммам состояния двухкомпонентных сплавов и оценивать отдельно влияние на них остальных компонентов, хотя это и недо­статочно точно.

Диаграмму состояния трехкомпонентного сплава строят в про­странстве в трех осях координат. На горизонтальных осях откла­дывают концентрацию компонентов сплава в процентах, а на вер­тикальной — температуру.

Для изображения диаграмм состояния четырехкомпонентных сплавов требуется пространство четырех измерений. В этом случае ограничиваются построением пространственной диаграммы для трех основных компонентов при постоянном содержании четвертого. Диаграммы состояния тройных сплавов подобно двойным могут быть нескольких основных типов.

Диаграмма состояния тройного сплава, у которого все три двух- компонентные системы относятся к первому типу, приведена на рис. 36. Компоненты сплава A, B и C неограниченно растворимы друг в друге в жидком состоянии, а при кристаллизации образуют механическую смесь. Диаграмма состояния такой системы пред­ставляет собой трехгранную прямоугольную призму.

Диаграмма состояния трехкомпонентного сплава с полной нерастворимостью в твердом состоянии

Диаграмма состояния трехкомпонентного сплава с полной нерастворимостью в твердом состоянии

Выше по­верхности начала кристаллизации DE1GE3HE2D сплавы находятся в жидком состоянии. Ниже этой поверхности выделяются кристаллы компонента А, В или С, а затем соответствующие двойные эвтекти­ки. Окончание кристаллизации происходит на эвтектической плос­кости D1G1H1 На этой плоскости образуется тройная эвтектика, со­став которой соответствует точке Е. Так как превращения протекают в сплавах определенной концентрации и при определенной темпе­ратуре, на диаграмме состояния должны быть указаны концентра­ции и температуры. Для определения концентрации тройного спла­ва используют плоскость основания призмы, представляющую рав­носторонний треугольник АВС у называемый концентрационным тре­угольником. Для определения концентрации можно воспользовать­ся одним из двух геометрических свойств равносторонних треуголь­ников:

  1. Суммарная длина всех перпендикуляров, опущенных любой точки, находящейся внутри равностороннего треугольника, на каждую из его сторон является величиной постоянной, равной его высоте.
  2. Суммарная длина трех отрезков, отсеченных на сторонах рав­ностороннего треугольника прямыми, параллельными его сторо­нам, проведенными через любую точку внутри его, является ве­личиной постоянной, равной длине стороны треугольника.

Если из точки М (рис. 37, а) опустить перпендикуляры на сто­роны треугольника, то их суммар­ная длина будет равна высоте тре­угольника BD, т. е.

Способы построения концентрационного треугольника

Способы построения концентрационного треугольника

Ma + Mb + Mc = ВD.

Если принять высоту BD за 100%, то содержание компонента B в процентах определится из соотношения  Mb / BD • 100; компонента  A — из отношения Ma / BD • 100 и компонента С — из отношения Mc / BD • 100.

Более удобен способ, основанный на указанном выше втором свойстве равностороннего треугольника (рис. 37, б). Если из точки М провести прямые, параллельные сторонам треугольника, то сум­марная длина отрезков, расходящихся под углом 120°, будет равна длине стороны треугольника. Этот способ позволяет отсчитывать концентрацию компонентов непосредственно на сторонах треуголь­ника. Направление отсчета указывают стрелками. Отрезок Cb бу­дет соответствовать содержанию компонента В, отрезок Ba — со­держанию компонента A, отрезок Ac — содержанию компонента С. Если на сторонах треугольника отложить содержание компо­нентов в процентах (рис. 38), то концентрация сплава, определяе­мого, например, точкой М, составит B = 30%, A — 30% и C — 40%. Точку М называют фигуративной. Пользуясь концентрационным треугольником, можно решить и обратную задачу: найти фигуративную точку, зная состав сплава в процентах.

Концентрационный треугольник

Концентрационный треугольник

Рассматривая концентрационный треугольник, можно сделать следующие основные выводы:

  1. вершины треугольника соответствуют 100%-ному содержа­нию компонентов A, C, B;
  2. стороны треугольника отвечают двойным сплавам;
  3. все сплавы, фигуратив­ные точки которых располо­жены на плоскости концен­трационного треугольника внутри его, являются трой­ными сплавами.

Эти правила применимы ко всем диаграммам состояния трехкомпонентных сплавов.

Для более ясного изобра­жения диаграмм состояния трехкомпонентных сплавов часто пользуются горизон­тальными и вертикальными разрезами.

Диаграммы состояния трехкомпонентных сплавов, так же как и рассмотренных выше двухкомпонентных, строят экспериментальным путем; к ним также применимо правило фаз Гиббса и правило отрезков. Изучение диаграмм состояния трех­компонентных сплавов дает возможность судить о фазовом состоя­нии и структурных составляющих сплавов и создавать сплавы, удовлетворяющие разнообразным требованиям, предъявляемым тех­никой. Знание диаграмм состояния сплавов позволяет решать ряд практических вопросов: определять температуры плавления (кри­сталлизации) сплавов, температурные режимы горячей обработки давлением, а также режимы нагрева при термической обработке для получения сплавов с требуемой структурой, физико-механи­ческими, технологическими и эксплуатационными свойствами.

Однако знания фазового и структурного состава еще не­достаточно. Свойства сплавов в значительной степени зависят от количества, размера, формы и распределения структурных состав­ляющих, определить которые можно только путем микроанализа.

Кроме того, недостатком диаграмм состояния является то, что по ним можно изучать только превращения, происходящие в спла­вах в условиях очень медленного охлаждения (равновесные сис­темы); в большинстве же случаев превращения протекают в усло­виях более быстрого охлаждения и приходится иметь дело с метал­лическими системами, находящимися в неравновесном состоянии.