Диаграммы состояния
Диаграммы состояния, или диаграммы фазового равновесия в графической форме показывают фазовый состав сплава в зависимости от температуры и концентрации. Диаграммы состояния строят для условий равновесия или условий, достаточно близких к ним. (Равновесное состояние соответствует минимальному значению свободной энергии. Это состояние может быть достигнуто только при очень малых скоростях охлаждения или длительном нагреве. В связи с этим рассмотрение диаграмм состояния позволяет определить фазовые превращения в условиях очень медленного охлаждения или нагрева. Истинное равновесие в практических условиях достигается редко).
Фаза – часть системы, характеризующаяся определенным химическим составом, структурой (для твердых фаз – атомно-кристаллической решеткой), свойствами и отделенная от остальных фаз границей раздела при переходе через которую, свойства скачкообразно изменяются.
Для экспериментального построения диаграммы состояний сплавов, образованных компонентами А и В, необходимо изготовить серию сплавов, содержащих различные количества компонентов А и В. Для каждого такого сплава экспериментально строят кривые охлаждения и определяют по ним критические точки, т. е. температуры фазовых превращений. Полученные значения критических точек изучаемых сплавов откладывают на вертикальных линиях, соответствующих химическому составу этих сплавов. Затем соединяют критические точки, соответствующие определенным фазовым превращениям и получают линии диаграммы состояний.
|
|
Полная взаимная растворимость компонентов |
|
Правило фаз устанавливает температурные условия процесса кристаллизации при заданном давлении, а также определяет, сколько фаз должно быть в чистом компоненте или в сплаве определенного состава, если они находятся в равновесном состоянии при данной температуре (или давлении). Равновесное фазовое состояние сплава определяется составом фаз, температурой и давлением.
Число факторов, которые можно менять, не изменяя фазового состава сплава, называют степенью свободы. Степень свободы (с) определяется числом компонентов (к) и числом фаз (Ф), имеющихся в сплаве при данной температуре и давлении:
с = к + 2 – Ф.
Обычно диаграммы состояний строят для постоянного (атмосферного) давления. В этом случае формула принимает вид: с = к + 1 – Ф.
Следовательно, в двойной системе в равновесии может находиться не больше трех фаз, в тройной – не больше четырех и т. д. Если в равновесии в системе с определенным числом компонентов находится максимальное число фаз, то число степеней свободы системы равно нулю (С = 0). Такое равновесие называют нонвариантным (безвариантным). При нонвариантном равновесии, сплав из данного числа фаз может существовать только в совершенно определенных условиях: при постоянной температуре и определенном составе всех находящихся в равновесии фаз. Это означает, что превращение начинается и заканчивается при одной постоянной температуре.
Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых полностью растворимы в жидком и твердом состоянии
В твердом состоянии в сплавах образуется непрерывный ряд твердых растворов. Наличие твердых растворов неограниченной растворимости имеет место в сплавах Ag – Аu; Сu – Аu; Сu – Ni и др.
Для определения состава фаз, находящихся в равновесии при любой температуре, лежащей между линией ликвидус и солидус, например при t2 или t3 нужно через данный температурный уровень t2 или t3 провести линию, параллельную оси концентрации до пересечения с линиями ликвидус и солидус. Тогда проекция точки пересечения этой линии с ликвидусом (т, т1) на ось концентрации укажет состав жидкой фазы, а точки пересечения с линией солидус (п, п1)– состав твердой фазы (α-раствора).
Количество твердой фазы α (в процентах) при температуре t2 определяется отношением отрезка t2m к длине коноды mn: α = (t2m)/ тп·100%, а масса или объем жидкой фазы Ж= (t2n)/ тп·100%.
Неравновесная кристаллизация. Процесс диффузии протекает медленно, поэтому в реальных условиях охлаждения состав в пределах каждого кристалла и разных кристаллов не успевает выравниваться, и будет неодинаковым.
Рассмотрим снова сплав, содержащий 50% компонента В, начинающий затвердевать при температуре t1 при которой образуются кристаллы α; состав их соответствует точке K1. При температуре t2 состав жидкой фазы будет соответствовать точке т, а α -фазы – точке п. Но отдельные части кристаллов α -фазы, которые образовались при температурах, превышающих температуру t2, не изменили своего начального состава, и средний состав кристаллов будет соответствовать точке К2. При понижении температуры средний состав кристаллов α -твердого раствора все более отклоняется от равновесного. При температуре t3 он будет соответствовать не п1 а К3. Если через точки К1 – K5 провести кривую, она будет характеризовать средний состав кристаллов а при данной скорости охлаждения. При температуре t4 в условиях равновесия фаз выбранный сплав должен затвердеть. В неравновесных условиях этого не произойдет, так как в сплаве останется жидкая фаза, количество которой определяется из соотношения (t4K4)/(m2K4)100%. Сплав окончательно затвердевает тогда, когда средний состав α-фазы будет соответствовать составу взятого сплава. Это произойдет при температуре t5 (точка К5), при которой периферийные зоны кристаллов будут иметь состав, отвечающий 50% компонента В.. Следовательно, в неравновесных условиях сплав затвердевает ниже равновесной температуры затвердевания. Линию К1 – К5 называют линией неравновесного солидуса. Каждый сплав при заданной скорости охлаждения характеризуется своим неравновесным солидусом.