Пояснения к работе

Диаграмма состояния – это графическое изображение состояния сплава в зависимос­ти от температуры и концентрации. По оси абсцисс откладывается состав сплава, выраженный в процентах, а по оси ординат – температура. Каждая точка диаграммы отвечает конкретному составу при данной температуре и соответствует определенному состоянию.

Для построения диаграмм состояния используется ряд различных анализов, основным из которых является терми­ческий.

Термический анализ базируется на экспериментальном построении кривых охлаждения в координатах «температура – время» (рис.3.1). У металлов и сплавов фазовые превращения, например кристаллизация, в результате термического эффекта происходят с выделением скрытой теплоты, что сказывается на скорости изменения температуры сплава при его охлаждении. Поэтому на кривых охлаждения образуются перегибы или горизонтальные площадки, которые соответствуют критическим точкам.

Критические точки – температуры, при которых в сплаве начинаются или завершаются те или иные превращения (изменяется агрегатное состояние, либо структура в пределах одного агрегатного состояния).

Чистые металлы и особые сплавы (например, эвтектика) кристаллизуются с выделением тепла, которое полностью компенсирует теплоотвод в окружающее пространство. Поэтому температура во время кристаллизации остается постоянной, а после завершения процесса – вновь снижа­ется. Таким образом, на кривой охлаждения имеется одна критическая точка в виде температурной остановки (рис. 3.1, сплавы 1, 3 и 6).

На кривых охлаждения остальных сплавов наблюдаются две критические точки, определяющие интервал температур начала и конца кристаллизации (рис. 3.1, сплавы 2, 4 и 5).

На рис. 3.1 приведен пример построения диаграммы состояния сплава системы А – В. На кривых охлаждения, построенных для множества сплавов с

различной концентрацией компонентов, отмечают критические точки, которые переносят на координатную сетку диаграммы состояния. Соединив точки нача­ла и конца кристаллизации, получают две характерные линии диаграммы, называемые ликвидус и солидус (рис. 3.1).

 

Рис. 3.1. Построение диаграммы состояния по кривым охлаждения и

пример использования правила отрезков

 

Ликвидус (от лат. liguidus «жидкий») – линия, выше которой сплав находится в жидком состоянии, т.е.линия температур начала кристаллизации при охлаждении и конца плав­ления при нагреве.

Солидус (от лат. solidus «твердый») – линия, ниже которой сплав находится в твердом состоянии, т.е. линия температур конца кристаллизации при охлаждении и начала плавления при нагреве.

 

Анализ диаграммы состояния сплава осуществляется с по­мощью правил фаз и отрезков. Для усвоения этих правил и проведения анализа необходимо знать следующие понятия и определения.

Сплав — сложное вещество, полученное в результате сплавления двух или более компонентов.

Компонент — составляющая сплава, которой могут быть химические элементы или устойчивые химические соединения.

Система — совокупность веществ в твердом, жидком и газообразном состояниях, при известных условиях (темпера­туре и давлении), занимающая определенный объем. Систе­мы, состоящие из одного химического элемента или соеди­нения, называют простыми, а из нескольких — сложными.

Эвтектика (от греч. eutektos «легкоплавкий») – сплав определен­ного состава с наименьшей температурой плавления, кристаллизующийся при пос­тоянной температуре и представляющий собой мелкозернистуюсмесь нескольких фаз.

Фаза — однородная внутри себя часть системы, отделен­ная от других частей (фаз) поверхностью раздела, при пе­реходе через которую строение и свойства меняются скач­ком.

Число степеней свободы (вариантность) системы — число внешних (температура и давление) и внутренних (концентра­ция) факторов, которые можно изменять без изменения чис­ла равновесных фаз в системе.

 

Правило фаз (закон Гиббса) устанавливает математическую зависимость между числом степеней свободы, количеством фаз и числом компонентов для системы, находящейся в равновесном состоянии. Это правило выражается уравнением

С = К – Ф + 2,

где С — число степеней свободы;

К — число компонентов;

Ф — число фаз;

2 — количество внешних факторов равновесия (температура и давление). Так как обычно превращения в сплавах происходят практиче­ски при постоянном давлении (P = const), уравнение правила фаз принимает вид:

 

С = К – Ф + 1.

Если число степеней свободы С = 0 — система безвариантна, т.е. сплав из данного числа фаз может существовать только в неизменяемых условиях: при постоянной температуре и определенном составе всех фаз, находящихся в рав-

новесии. Это значит, что кристаллизация (или др. превращения) начинается и заканчивается при постоянной температуре. Изменение внутреннего или внешнего фактора в данном случае вызывает изменение фазового состава.

Если число степеней свободы С = 1 — система одновариантна. При этом изменение в некоторых пределах одного из факторов равновесия не вызывает изменения числа фаз. Фазовые превращения, происходящие в этих условиях, протекают при пониженной скорости охлаждения.

Если число степеней свободы С = 2 — система двухвариантна, что позволяет изменять оба фактора равновесия без изменения числа фаз. Скорость охлаждения при этом наибольшая, так как превращений в сплаве не происходит.

 

Правило отрезков (правило рычага) позволяет определять фазовый состав, концентрацию фаз и их количественное соотношение. Для этого через точку, соответствующую сплаву с определенной концентрацией и температурой, проводят коноду* – горизонтальный отрезок, соединяющий точки на линиях, ограничивающих данную область диаграммы состояния.

*Конода (лат. приставка co… «соединение» + лат. nodus «узел») – отрезок, соединяющий узловые точки диаграммы состояния.

 

 

Крайние точки отрезка, называемые нодами (от лат. nodus «узел»), указывают на наличие и вид фаз, а проекции этих точек на ось концентрации характеризуют состав фаз. Длины отрезков коноды между точкой сплава и точками, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз.

На рис. 3.1 приведен пример использования правила отрезков для

сплава №5 состава (А + 75% В) в состоянии точки «k», через которую проводят коноду «lm». Ее конечные точки «l» и «m», относящиеся одновременно к области жидкого раствора слева и к 100% кристаллов компонента В (правый край диаграммы), указывают фазовый состав сплава в точке «k»; Ж + В.

Опустив из этих точек перпендикуляры на ось концентраций определяют состав жидкой фазы, соответствующий проекции точки «l», что составляет 45% компонента В, и твердой фазы, соответствующий проекции точки «m», т.е. 100% В.

Количественное соотношение фаз определяют из условия равновесия коноды «lm», представленной в виде рычага с опорой в точке исследуемого сплава «k» (рис. 3.2). На его конечные точки «l» и «m» действуют силы Q_ж и Q_тв, соответствующие количествам жидкой и твердой фаз.

l k m

 

Qж

Qтв

 

 

Рис.3.2. Система равновесия для определения

количественного соотношения фаз

 

Равновесие рычага «lm» устанавливается равенством моментов сил относительно точки опоры «k» иопределяется отношением

Q_ж ^. kl = Q_тв ^. km.

Из этого следует, что соотношение количества фаз обратно пропорцио­нально отрезкам, прилегающим к точкам, определяющим со­став этих фаз. Например, отношение количества твердой фазы Q_тв к количеству жидкой фазы Q_ж обратно пропорционально отношению прилегающих отрезков kl и km

Q_тв ∕ Q_ж= kl ∕ km.

Если требуется определить долю твердой (или жидкой) фазы во всем сплаве Q_спл , то соотношение будет иметь следую­щий вид

Q_тв ∕ Q_спл= kl ∕ lm.

Сплавы после кристаллизации и других фазовых превращений в процессе охлаждения приобретают окончательную (рабочую) структуру. В зависимости от ее характера все сплавы подразделяют на четыре типа:

I - сплавы смеси;

II - сплавы твердые растворы с неограниченной растворимостью компонентов;

III - сплавы твердые растворы с ограниченной растворимостью компонентов;

IV - сплавы, образующие устойчивые химические соединения.

Сплавы смеси – это сплавы, компоненты которых неограниченно растворяются в жидком состоянии, а в твердом состоянии не взаимодействуют друг с другом и представляют собой смесь кристаллов двух компонентов.

Сплавы твердые растворы образуются, когда атомы одного компонента размещаются в кристаллической решетке другого в произвольных количественных соотношениях. Они делятся на твердые растворы замещения, которые образуют металлы с металлами, и твердые растворы внедрения, образуемые металлами с неметаллами.

Устойчивое химическое соединение в сплаве образуется в строго определенном соотношении компонентов, атомы которых создают новую кристаллическую решетку, обладающую новыми свойствами.