Способ определения температурных границ фазового равновесия в твердых металлических сплавах Советский патент 1983 года по МПК G01N25/02 

Изобретение относится к металловедению, более конкретно, к способа определения температурных границ существования различных фаз в твердых металлических сплавах, знание которых необходимо для построения равновесных диаграмм состояния металлических систем, и может быть применено для анализа сплавов переходных металлов.

Известен термических способ определения температурных границ фазового равновесия в. сплавах, заключающийся в том, что в процессе равномерного нагрева или охлаждения образца сплава снимается кривая зависимости температуры образца от времени и по перегибам на этой кривой, вызванным тепловым эффектом фазовых превращений, определяют температуры этих превращений ClJ.

Недостатком способа является то, что даже при очень медленном непрерывном нагреве или охлаждении спла|ва термодинамическое равновесие в нем, как правило, не успевает установиться, и регистрируемые температуры фазовых превращений в сплаве отличаются от равновесных температурных фазовых границ.

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения температурных границ фазового равновесия в твердых металлических сплавах, заключающийся в том, что сплав после закалки с высокой температуры выдерживают при заданной температуре в течение времени, необходимого для достижения в нем термодинамического равновесия, затем закаливают и количественно исследуют фазовый состав сплава и химический состав фаз методами рентгеновского фазового, локального рентгноспектрального и микроскопического анализа,2 .

Однако процесс установления термодинамического равновесия в данном способе является .диффузионным процессом и его скорость, лимитируется скоростью диффузии атомов компонентов сплава в твердой фазе.Скорость диффузии уменьшается с понижением т-емпературы, при этом длительность процесса установления термодинамического равновесия сильно возрастает. Для сплавов на основе железа или тугоплавких металлов необходимо время изотермической выдержки образцов при температурах 800-60О составляет от сотен до тысяч часов Это требует большого расхода электроэнергии для печей обжига и круглосуточного многодневного контроля за оборудованием.

Способ требует значительного колчества образцов - для каждой температуры cRr-й образец, и, соответствен-но, большого количества печей для изотермических выдержек - отделная печь для каждой температуры.

В таком способе имеет место возможность несохранения (хотя бы частично) высокотемпературной структуры сплава при закалке, что снижает достоверность определения фазовых границ.

Цель изобретения - повышение экспрессности и достоверности определения температурных фазовых границ в твердых металлических сплавах.

Поставленная- цель достигается тем, что в способе определения тем.пературных границ фазового равновесия в твердых металлических сплавах: включающем изотермическую вьщержку образца при заданных температурах до достижения в нем термодинамического равновесия, перед выдержкой образец приводят в контакт с жидким литием, изотермическую вьщержку проводят в течение 60 мин при отношении объема жидкого лития к площади его контакта с образцом 0,1 с затем непосредственно при температуре изотермической выдержки измеряют концентрацию насыщения растворенног в литии наиболее растворимого в нем компонента сплава, строят график зависимости логарифма концентрации насыщения от величины, обратной абсолютной температуре, и по точкам перегиба на этом графике определяют температурные границы фазового равновесия в сплаве.

В условиях контакта твердого сплава с нерастворимым в нем жидким металлом термодинамическое равновесие в поверхностном слое образца сплава достигается очень быстро за счет диффузии компонентов сплава в жидком металле и составляет, как показали исследования кинетики растворения компонентов сплавов в литии, .i 60 мин, при отношении объема жидкого металла в площади контактирующей с ним поверхности образца V/S О,, 1 см. При указанном соотношении V/S концентрация компонента твердого сплава в литии возрастает в течение 60 мин, а затем перестает изменяться, т.е. достигае насыщения, что свидетельствует о наступлении состояния термодинамического равновесия между жидкой и твердой фазами.

Для определения температур фазовых превращений в сплаве образец, находящийся в контакте с жидким литием, последовательно нагревают до определенных температур и выдерживают до достижения термодинамического равновесия. Непосредственно при каждой температуре измеряетс концентрация насыщения наиболее раствбримого компонента сплс1ва в

литии, после чего строится график температурной зависимости концентрации насыщения в координатах Ig С - 1/Т, где Сцд - концентрация насыщения,Т - абсолютная температура. График температурной зависимости концентрации насыщения в указанных координатах для сплава, находящегося в однофазном состоянии, представляет прямую линию с наклоном, характерным для данной фазы.В интервале температур, соответствующем двухфазному состоянию сплава, наклон графика Ig С,, 1/Т отличен от наклонов, характерных для высокотемпературной и низкотемпературной фаз. Точки перегибов на графике соответствуют температурным границам однофазных и двухфазных областей. Поскольку равновесие при каждой температуре достигается за $60 мин, график растворимости из 10-15 точек снимается за 10 ч.

Применение в качестве жидкого металла лития обусловлено тем, что он практически нерастворим в больщинстве твердых металлов, имеет большой температурный интервал жидкого состояния и хорошо пропускает рентгеновские лучи, благодаря чему возможно применение рентгеноспектрального абсорбционного анализа жидкого лития для определения концентрации растворенного элемента. Использование для анализа фазового состояния сплава концентрации насыщения наиболее растворимого компонента сплава обеспечивает наибольшую чувствительность метода при низких температурах.

Более высокая достоверность предлагаемого способа по сравнению с известным обеспечивается тем, что исключаются неконтролируемые изменения фазового состава образца сплава, имеющие место при закалке.

Пример реализации способа.Определяют температурные границы фазового равновесия в сплавах системы Fe-Ni с 1,5; 3,0) 5,0 10,0 и 20,0% по массе никеля. Из сплавов изготовляют образцы в виде трубочек длиной 50,0 и внутренним диаметром 3,0 мм. В инертной атмосфере образцы заполняют литием, содержащим /«/1-10 % неметаллических примесей, на длину 40 мм. Образцы с литием помещают в герметизируемую капсулу, имеющую прозрачные для рентгеновских лучей окна из бериллия. Капсулу с образцом помещают в печь. Вдоль оси образца пропускают пучок рентгеновских лучей, который затем разлагают в спектр спектрометром. Соллера,собранным на базе стандартного дифрактометра и щелей Соллера с апертурой 0035 рад, измеряют интенсивность

излучения с двух сторон от К-края поглощения никеля, соответственно на длинах волн Л 0,14945 нм и 0,14815 нм. Концентрацию никеля в литии рассчитывают, по формуле .

С.(мао.%).Гр-ио- д..Х2(,

((Э|;Р-, где - длина .столбика лития,

0

р - плотность лития/ /U. и |U.2 - массовые коэффициенты поглощения рентгеновского излучения никелем на длинах волн Л

5 и А 2

Л и 3 - интенсивность прошедшего через литий излучения до начала нагрева образца на длинах

0 волн Л и 21

J и 2 интенсивность прошедшего через литий излучения при заданной температуре образца;

5 Р - константа, равная для

никеля 0,9456.

Измерения интенсивности проводят сначала при комнатной температуре, затем капсулу с исследуемым образцом 0 нагревают до 350С и выдерживают при этой температуре 60 мин, после чего в течение 5 мин производят замер интенсивностей рентгеновского излучения. Затем капсулу с образцом нагJ ревают до 50°С, производят 60 минутную изотермическую выдержку и изме(рение интенсивностей излучения. Далее этот цикл повторяется до достижения температуры 850-950с. По результатам расчета концентраций насыщения никеля в литии строят графики, по точкам перегибов которых определены температуры (С) фазовых переходов в сплавах, приведенные в таблицеэ

50

. 800 750 700

875 850 800 725 600

На основе этого построена часть диаграммы состояния системы Fe-Ni в области сплавов, богатых железом.

Использование предлагаемого способа определения температурных границ фазового равновесия в твердых металлических сплавах обеспечивает высокую экспрессность проведения исследований сплавов. Так, например.

ДЛЯ. определения температур переходов сплавах системы железо-никель пяти различных составов известным способе необходимо выло провести непрерывные изотермические выдержки длительностью до .л/ 5000 ч. Предлагае.tfOM. способом такое исследование проведено за л/50 ч в пять приемов.При этом полностью исключаются расходы на организацию и проведение непрерывных длительных наблюдений за работой термического оборудования,резко снижается расход электроэнергии. Кроме того, предлагаемый способ требует меньшего количества образцов для исследования и полностью исключает возможность изменения состава фазсплава, которая возникает при охлаждении сплава до комнатной температуры.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ГРАНИЦ ФАЗОВОГО РАВНОВЕСИЯ В ТВЕРДЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВАХ, включающий изотермическую выдержку образца при заданных температурах до достижения в нем термодинамического равновесня, от.личающийс я тем, что, с целью повьвиения экспрессности и достоверности способа, перед выдержкой образец приводят в контакт с жидким литием, изотерми lecKyio выдержку проводят в течение .60 мин при отношении объема жидкого лития к площади его контакта с образцом iO,l см, затем непосредственно при температуре изотермической выдержки измеряют концентрацию насьицения растворенного в литии наиболее растворимого в нем компонента Q сплава, строят график зависимости 5 логарифма концентрации насыщения от (/ величины, обратной абсолютной темпе- ратуре, и по точкам перегиба на этом графике определяют температурные границы фазового равновесия сплава.