Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Концентрационный треугольник
Для однокомпонентной системы (одинарной) концентрация указывается точкой. Для двухкомпонентной системы (бинарной) концентрация устанавливается на линии концентрационной оси. Для трехкомпонентной системы (тройной) размерность повышается еще на единицу, так что условия концентрации нужно изобразить в плоскости концентрационного треугольника.
Концентрационный треугольник является равносторонним треугольником, угловые точки которого представляют чистые компоненты А, В и С. Стороны треугольника соответствуют осям концентрации трех двухкомпонентных систем А—В, B—C и С—А, которые окаймляют треугольник.
Составы трехкомпонентных сплавов указываются точкой на плоскости треугольника. Для определения этой точки исходят из концентрационных осей двухфазных систем, входящих в состав тройной системы. Эти двухфазные системы нанесены в направлении против часовой стрелки. В плоскости треугольника можно накладывать сетку при помощи параллелей к сторонам треугольника, которые проходят различные точки концентрации на сторонах треугольника (рис. 9.2.34).
Сплавы, состав которых расположен вдоль одной из линий, параллельных одной стороне треугольника, имеют соответственно всегда одинаковое содержание на компоненте, который расположен против этой стороны треугольника. Прямые, проходящие точку угла треугольника и делящие этот угол в определенном соотношении, содержат при изменяемом содержании одного компонента все точки с соответственно постоянным отношением обоих других компонентов. Прямая, например, через точку угла В соответствует постоянному соотношению С:А при изменяемом содержании В (см. рис. 9.2.34).
С помощью концентрационного треугольника с описанным разделением могут быть указаны на плоскости точки для состава трехкомпонентных сплавов, а на сторонах треугольника составы окаймляющих двухкомпонентных сплавов. На рис. 9.2.34 указаны два трехкомпонентных сплава L1 и L2, а также двухкомпонентный сплав L3.
Фазовые пространства
По температурной оси, которая перпендикулярна концентрационному треугольнику, получается призматическое пространство, в котором области существования ограничиваются плоскостями. Эти плоскости соответствуют линиям в двухкомпонентных системах, фазовые пространства соответствуют плоскостям в двухкомпонентных системах. Начало затвердевания происходит ниже плоскости ликвидуса. Ниже плоскости солидуса сплав находится в твердом состоянии. Пространство, полученное таким образом для случая полной растворимости в жидком или твердом состояниях, изображено на рис. 9.2.35. В этом случае плоскость ликвидуса изображается в виде купола с тремя угловыми точками, в то время как плоскость солидуса имеет форму вогнутой чаши.
В то время как при описанном пространственном образовании, естественно, должны быть также три односторонние двухфазные системы с полной растворимостью в жидком и твердом состояниях, в трехкомпонентных системах находятся также многообразные комбинации различных двухфазных систем, например эвтектические, перитектические и др.
Фазовые пространства, как они получаются при комбинации двух эвтектических систем с одной системой растворимости жидкий/твердый, можно взять из рис. 9.2.36. Отчетливо видно, как между эвтектическими точками е1 и е3 образуются краевая эвтектика и эвтектическая канавка.
Точка инвариантности получилась бы тогда, если бы были три краевые эвтектики. В такой точке инвариантности для случая трехкомпонентной системы существует равновесие между четырьмя фазами соответственно степени свободы F = 0. Четырехфазовое равновесие выражается так:
S ⇔ α + β + γ.
Эвтектикали соответствует в этом случае эвтектическая плоскость, проходящая параллельно концентрационному треугольнику.
Плоское изображение
Пространственное изображение трехкомпонентных систем для практического применения не очень удобно. Для точного указания соотношения температура-концентрация для различных фаз целесообразнее применять разрезы или плоскостные проекции пространственных образований. Для таких двухмерных изображений трехкомпонентных систем привлекаются:
1. Двухфазная система, входящая в состав тройной системы.
2. Проекция тройной диаграммы на плоскость концентрации (соответственно линиям высоты при картографическом изображении).
3. Изотермические сечения, т.е. сечения параллельно плоскости концентрационного треугольника на различных температурных уровнях.
4. Сечения, перпендикулярные плоскостям концентрационного треугольника, так называемые разрезы температуры—концентрации (T-K). При этом разрезы накладываются так, что при прохождении через угол получается постоянное соотношение двух компонентов, например С:А, при переменном содержании третьего компонента В. Также возможны сечения диаграмм температура-концентрация вдоль параллелей к сторонам треугольника. Для наглядного изображения этих представлений и связей между разными изображениями следует исходить из простого случая полной растворимости в жидком и твердом состоянии для всех трех двухфазных систем (рис. 9.2.37), поскольку они лежат в основе пространственного изображения (см. рис. 9.2.35).
Если через двухфазные системы проходят изотермы, то образуются точки пересечения с линиями ликвидуса и солидуса, которые соответствуют определенным концентрациям. Перенос этих точек на стороны концентрационного треугольника устанавливает конечные точки изотерм в двухфазных системах (рис. 9.2.38). Для сравнения с проекциями тройной системы с полной растворимостью в жидком и твердом состоянии следует рассмотреть одну проекцию трехкомпонентной системы, которая составляется из двух эвтектических двухфазных систем и системы с полной растворимостью жидкий/твердый (ср. рис. 9.2.36). Из хода изотерм можно получить положение эвтектической канавки (от е1 к е2) (рис. 9.2.39).
Изотермические сечения. При изотермических сечениях между плоскостями ликвидуса и солидуса при определенной температуре находится двухфазная область жидкий/твердый. С помощью описанного переноса разрезов линий ликвидуса и солидуса по температуре указываются области существования твердой и жидкой фаз, а также двухфазная область жидкий/твердый в плоскости концентрационного треугольника (рис. 9.2.40). Внутрь двухфазной области внесены коноды. Так образуется конодная плоскость между твердой и жидкой фазами, находящимися аналогично конодной линии в двухкомпонентных системах. Логически можно перенести условие равновесия правила отрезков у двух компонентных систем на коноды трехкомпонентной системы, так как множество фаз ведет себя как соответственно повернутые плечи рычага (правило отрезков). Твердый раствор содержит при этом всегда большую долю высокоплавкого компонента, чем расплав, находящийся с ним в равновесии.
Температурно-концентрационные сечения (T-K-сечения). Эти разрезы расположены перпендикулярно концентрационному треугольнику. Они проводятся или параллельно сторонам треугольника, соответствуя, таким образом, постоянному содержанию компонента, противолежащего одной стороне треугольника, или проходят через угол и содержат поэтому постоянное соотношение двух компонентов (ср. рис. 9.2.34).
Для выбранного в качестве примера случая полной растворимости в жидком и твердом состояниях (см. рис. 9.2.37, 9.2.38) образуются с обоими видами Т—К-разрезов диаграммы состояния по рис. 9.2.41, а, б. Часто Т—К-разрезы полезны для двухмерного изображения трехкомпонентных систем. Температурноконцентрационные разрезы подобны бинарным диаграммам состояния. Однако нельзя указать состав и количественные части фаз, находящиеся в равновесии друг над другом. Правило отрезков, таким образом, применить нельзя.
