Диаграммы состояния двойных систем

Диаграмма состояния системыпредставляет собой некую графическую модель в координатах «состав сплава – температура», в которой отражены температурно-концентрационные области существования различных фаз, образующихся в результате взаимодействия компонентов сплава друг с другом в условиях термодинамического равновесия. Линии на двойных диаграммах являются границами существования одной или двух фаз.

Диаграмма состояния системы в наглядной форме позволяет:

• определить качественный и количественный фазовый состав сплава заданного состава при заданной температуре в условиях равновесия;

• определить химический состав любой фазы, присутствующей в сплаве, а в двухфазном состоянии – долю каждой из фаз;

• проследить за фазовыми превращениями, происходящими в сплавах при нагревании и охлаждении в равновесных условиях и дать характеристику ожидаемых структурных составляющих, получаемых в результате превращений.

Диаграммы фазового равновесия характеризуют окончательное или предельное состояние сплавов, т.е. полученное после того, как все превращения в них произошли и полностью закончились. Это состояние сплава зависит от внешних условий (температуры, давления) и характеризуется числом и концентрацией образовавшихся фаз.

Правило фаз устанавливает зависимость между числом фаз, степеней свободы системы, числом компонентов и выражается уравнением:

С = К + 2 - Ф, где

С - число степеней свободы системы;

К - число компонентов, образующих систему, т.е. минимальное число химических элементов, необходимых для образования любой фазы системы;

2 - число внешних факторов (температура, давление);

Ф - число фаз, находящихся в равновесии.

Под числом степеней свободы (вариативностью) системы понимают возможность изменения температуры, давления и концентрации без изменения числа фаз, находящихся в равновесии.

При изучении физико-химических равновесий за внешние факторы, влияющие на состояние термодинамической системы, принимают температуру и давление. Применяя правило фаз к металлам, можно во многих случаях принять изменяющимся только один внешний фактор – температуру, т.к. давление, за исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях. Тогда правило фаз можно записать в следующем виде:

С = К + 1 - Ф.

В связи с тем, что число степеней свободы не может быть меньше нуля и не может быть дробным числом, то К – Ф + 1 >0, а Ф ≤ К+ 1, т.е. число фаз в сплаве, находящемся в равновесном состоянии, не может быть больше, чем число компонентов плюс единица. Следовательно в двойной системе в равновесии может находиться не более трех фаз, в тройной – не более четырех и т.д.

Метод построения диаграмм состояния

Для построения диаграмм состояния применяют метод термического анализа, который заключается в построении термических кривых для сплавов любой металлической системы. Термические кривые строят с помощью специальной установки, устройство которой показано на рис.3.

Рис. 3 Схема установки для термического анализа: 1 – печь, 2 – жидкий сплав,

3 – тигель, 4 – горячий спай термопары, 5 – термопара, 6 – колпачок,

7 – холодный спай термопары, 8 – гальванометр.

Экспериментальное построение кривых состоит в следующем: тигель вместе с компонентами сплава помещают печь и нагревают до температуры плавления. Затем в жидкий сплав погружают термопару, соединенную с чувствительным гальванометром, шкала которого проградуирована в градусах.

Далее печь выключают и металл начинает остывать вместе с печью. Одновременно через равные промежутки времени снимают показания гальванометра и строят кривую изменения температуры во времени (рис. 4).

Для построения диаграмм состояния готовят несколько сплавов из одних и тех же компонентов, но в различных процентных соотношениях. Например, 100% А - 0% В, 95% А - 5% В, 90% А - 10% В,. и т.д. до сплава 0% А - 100% В. В результате эксперимента получают серию кривых охлаждения каждого из них.

Температура охлаждаемого чистого компонента А равномерно понижается до t_А (рис. 4а, кривая А), при которой компонент А и затвердевает. На кривой отмечается остановка (горизонтальный участок), так как согласно правилу фаз только в этом случае при постоянной температуре могут сосуществовать две фазы - твердая и жидкая. После затвердевания компонента А температура снова равномерно понижается. Аналогично может быть рассмотрена кристаллизация и чистого компонента В (рис. 4а, кривая В)

Рис. 4 Построение диаграммы состояния для случая полной взаимной

растворимости компонентов А и В в твердом состоянии:

а) кривые охлаждения, б) диаграмма состояния

При охлаждении сплава 1 температура понижается до t₁ (рис. 4,а). При температуре t₁ начинается процесс кристаллизации, и на кривой охлаждения наблюдается перегиб (критическая точка), связанный с уменьшением скорости охлаждения вследствие выделения скрытой теплоты кристаллизации. Ниже температуры t₁ из жидкого сплава кристаллизуется твердый раствор. Процесс кристаллизации протекает при понижающейся температуре, т.к. согласно правилу фаз в двухкомпонентной системе при наличии двух фаз (жидкой и кристаллов -твердого раствора) число степеней свободы будет равно единице (C = 2+1-2=1). При достижении температуры t₂ (рис. 4,а) сплав затвердевает и при более низких температурах существует только -твердый раствор. Аналогично затвердевают и другие сплавы этой системы.

Если критические точки, наблюдаемые на термических кривых перенести на диаграмму, где по оси абсцисс нанесен состав сплава, а по оси ординат - температура, и одноименные критические точки (т.е. отражающие одинаковый физический процесс, например, начало кристаллизации сплавов) соединить плавными кривыми, то получится диаграмма состояния системы компонентов А и В, образующих непрерывный ряд твердых растворов (рис. 4б).

Температура начала первичной кристаллизации, при которой образуются зародыши твердой фазы, называется температурой ликвидус, а температура конца первичной кристаллизации, при которой исчезают последние капли жидкости, – температурой солидус. Соответственно, линия ликвидус определяет начало процесса кристаллизации, линия солидус – окончание этого процесса. На оси концентраций двойной диаграммы крайние точки (А) и (В) соответствуют чистым компонентам, т.е. 100% каждого из компонентов. Процентное содержание компонента А увеличивается от точки В влево, т.е. от нуля в точке В до 100% в точке А; и наоборот содержание компонента В увеличивается от точки А вправо. Любая точка на оси абсцисс указывает содержание компонента А и компонента В, т.е. состав двойного сплава в весовых процентах.

Температуру откладывают на оси ординат. На ординате, соответствующей чистому компоненту А, всегда откладывают температуру плавления компонента А; а на другой ординате - температуру плавления компонента В.

Любая точка, расположенная между ординатами, показывает состав конкретного сплава при выбранной температуре.