Диаграммы состояния

Диаграмма состояния – это графическое изображение состояния сплава в зависимости от температуры и концентрации. Описание состояния сплава в математической форме производится с помощью правила фаз Гиббса:

С = К─ Ф + 1,

где К ─ число компонентов, образующих систему; Ф ─ число фаз; С ─ число степеней свободы.

Компонент – это независимая составная часть системы. Фаза ─ это однородная часть системы, отделенная от других частей (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую свойства вещества меняются скачком.

Число степени свободы ­ это число внешних и внутренних факторов (температура, концентрация) равновесия, которые можно изменять, не нарушая равновесия системы.

Диаграмму состояния строят по критическим точкам кривых охлаждения, которые получают с помощью термического анализа. Однокомпонентная диаграмма представляет собой температурную шкалу с нанесенными на нее точками фазовых превращений.

Двухкомпонентная диаграмма строится в координатах температура (ось ординат) ­ концентрация (ось абсцисс). Концы оси абсцисс соответствуют компонентам, а промежуточные точки оси соответствуют сплавам с различным соотношением компонентов.

На рис. 2.1 представлена диаграмма состояния сплавов твердых растворов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии.

Линия диаграммы АСВ^′ называется линией ликвидус. Выше этой линии все сплавы существуют в виде однофазного жидкого раствора (L). Линия А^′f В^′ ─ линия солидус. Ниже нее все сплавы находятся в твердом состоянии (в данном случае в виде неограниченного твердого раствора α). Между линиями А^′сВ^′ и А^′f В^′ сплавы имеют двухфазный состав (L+α).

Химический состав фаз и их относительное количество в сплаве при температуре, соответствующей двухфазной области, определяют с помощью правила отрезков. Чтобы определить химический состав необходимо через заданную точку, характеризующую состояние сплава (фигуративную точку), провести коноду (горизонтальную линию, лежащую в двухфазной области диаграммы и опирающуюся своими концами на фазовые границы). Проекции концов коноды на ось концентраций покажут состав соответствующих фаз. Отношение длины отрезка, заключенного между фигуративной точкой и одним из концов коноды, к длине всей коноды равно относительному количеству фазы, на границу с которой опирается второй конец коноды.

Рис.2.1. Диаграмма с неограниченной растворимостью компонентов

Рис. 2.2. Диаграмма состояния сплавов смесей

На рис. 2.2 представлена диаграмма состояния сплавов смесей, которая характеризуется отсутствием растворимости компонентов в твердом состоянии. Линия АСВ ─ ликвидус, DСЕ ─ солидус. Кристаллизация всех сплавов этой системы заканчивается на линии DCE эвтектическим превращением остатка жидкой фазы в механическую смесь кристаллов компонентов А и В, называемую эвтектикой. Сплав, кристаллизация которого начинается непосредственно с эвтектического превращения (в данном случае сплав, фигуративная линия которого проходит через точку С), называется эвтектическим. Сплавы, концентрация которых лежит левее точки С, называются доэвтектическими, правее точки С – заэвтектическими. На рис. 2.3 представлена диаграмма с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (диаграмма с эвтектикой). Помимо линий ликвидус и солидус (АСВ и АDСЕВ) диаграмма содержит линии DF и EG предельной растворимости компонента В в твердом растворе α (А(В)) и компонента А в твердом растворе β (В(А)) соответственно. Кристаллизация сплава «с» начинается после пересечения линии ликвидус с выделением кристаллов твердого раствора β. Затем при пересечении линии DCE (линии эвтектики) образуется эвтектическая смесь из твердых растворов α и β.

Рис. 2.3. Диаграмма состояния сплавов твердых растворов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии

Рис. 2.4. Диаграмма состояния сплавов с устойчивым химическим соединением

При дальнейшем охлаждении, в связи с уменьшением растворимости компонента А в В(А) выделяются кристаллы твердого раствора α, богатого компонентом А. В конечном счете структура сплава представлена первичными кристаллами β, эвтектикой (α и β) и вторичными кристаллами α.

Диаграммы с устойчивым химическим соединением имеют вид двух или нескольких диаграмм, приложенных друг к другу по фигуративной линии химического соединения (рис. 2.4).

Вид диаграмм состояния, в которых компоненты испытывают полиморфные превращения, зависит от характера взаимодействия аллотро-пических модификаций компонентов. В ряде случаев они напоминают обычные диаграммы, расположенные этажами. Нередко в таких системах встречаются превращения, сходные по виду с эвтектическими, но с распадом не жидкости, а твердого раствора. Превращения подобного типа, в отличие от эвтектического, называют эвтекто-идным. На рис. 2.5. представлена диаграмма состояния сплавов твердых растворов с эвтектоидным превращением.