2.2. Діаграми стану сплавів

Діаграми стану є графічним зображенням фазового ста­ну сплавів в залежності від температури і концентрації ком­понентів.

Діаграми стану показують стійкий стан, при якому сис­тема має мінімум вільної енергії, тому вони називаються діаграмами рівноважного стану. Цей стан відповідає дуже по­вільному нагріванню та охолодженню сплаву. Оскільки істин­ну рівновагу в реальних умовах досягти важко, то діаграми стану носять теоретичний характер, а на практиці вони вико­ристовуються для розгляду перетворень при малих швидкос­тях нагріву та охолодження.

Загальні закономірності співіснування стійких фаз, які відповідають теоретичним умовам рівноваги, можуть бути виражені в математичній формі правилом фаз (законом Гіб-бса):

с = k - f + п,

де с — число степеней свободи; k— кількість компонентів; f — число фаз у системі; п — число зовнішніх факторів (k, п i f — незалежні змінні фактори рівноваги).

Під числом степеней свободи (варіантністю) системи розуміють число зовнішніх і внутрішніх факторів (темпера­тура, тиск, концентрація), які можна змінювати без зміни чис­ла фаз в системі.

Якщо с = 0 (нонваріантна система), то зміна хоча б од­ного фактора приведе до порушення рівноваги та викличе зміну фазового стану системи. Якщо с = 1 (моноваріантна си­стема), то можлива зміна в деяких межах одного з факторів і це не приведе до зменшення чи збільшення числа фаз.

Фазою називається однорідна частина системи, яка від­ділена від іншої частини поверхнею розподілу, при переході через яку хімічний склад, або структура речовини змінюєть­ся скачками. Так, розплавлений метал однофазний, а сплав механічна суміш — двофазний.

Число зовнішніх факторів п це температура і тиск. Ос­кільки в металах і сплавах усі перетворення відбуваються при постійному (атмосферному) тиску, то п = 1, тоді правило фаз записується так:

с = k - f + 1.

Правило фаз дозволяє перевірити правильність побудови кривих кристалізації та діаграм стану. При с = 0 на кривій охолодження відмічається полочка, а при с = 1 — перелом лінії. Діаграми стану будують на основі кривих охолоджен­им Для конкретного сплаву з різною концентрацією компо­ненті будують криві охолодження. Потім критичні точки з кривих охолодження переносять в систему координат температура-концентрація і з'єднують їх лініями. Так отримують основні лінії діаграм.

Конкретний приклад побудови діаграми сплаву свинець-сурма наведений на рисунку 5.

Рис. 5.

Лінію АСВ називають ліквідує (у перекладі з латинсько­го означає «рідкий»). Вище цієї лінії сплав знаходиться в рідкому стані. Лінію ДСF, яка відділяє сплав в твердому стані від двофазного (рідина плюс тверде тіло), називають солідус (твердий). Точка С, де перетинаються лінії ліквідує і солідус, називається точкою евтектики (легкоплавкий). Ця точка ха­рактерна тим, що при кристалізації сплав із рідкого стану відразу переходить у твердий.

При наявності поліморфних перетворень у компонентів сплаву критичні точки на кривих охолодження будуть і в твер­дому стані, тому на діаграмі крім лінії ліквідує та солідус будуть ще лінії, які проходять нижче лінії солідус.

В наведеному прикладі діаграма має простий вигляд. Проте з неї можна почерпнути чимало корисного. Наприк­лад, без затруднень можна знайти температуру плавлення сплаву будь-якої концентрації, встановити залежність темпе­ратури плавлення від концентрації, визначити точку евтекти­ки, встановити, як із зміною концентрації сплаву змінюється температура початку і кінця кристалізації тощо. Крім того, діаграма стану дозволяє проводити якісний і кількісний аналіз фазового складу при різних температурах. Для цього, через будь-яку точку на лінії сплаву проводиться лінія, паралельна осі концентрації (конода). Точки перетину її з осями і лінія­ми діаграми покажуть концентрацію рідкогСтвердої фаз.

Рис. 6.

Наприклад, при температурі t₃ точка т характеризує склад твердої фази компонента В. Перетин коноди з лінією ліквідує k дозволяє визначити склад рідкої фази (опустити перпендикуляр на вісь концентрації) (рис.6).

При зменшенні температури продовжується кристаліза­ція компонента В, а тому його концентрація в рідині змен­шується.

Таким чином, при охолодженні сплаву точка к пере­міщується по лінії ліквідує, наближуючись із зниженням тем­ператури до точки С. Значить, лінія ліквідує показує зміну концентрації компонента В в рідкій фазі по мірі кристалізації сплаву. В точці С рідина, яка залишилась, дає евтектичну суміш кристалів A і В.

Кількісна оцінка здійснюється правилом відрізків, яке можна сформулювати з двох частин. Перша з них форму­люється так:

Щоб визначити концентрацію компонентів у фазах, че­рез дану точку п, яка характеризує стан сплаву, проводять горизонтальну лінію до перетину з лініями, які обмежують дану область. Проекції точок перетину на вісь концентрації показують склад фаз.

Друга:

Для того, щоб визначити кількісне співвідношення фаз, через дану точку п проводять горизонтальну лінію. Відрізки цієї лінії тп і пk між заданою точкою і точками, які визнача­ють склад фаз, обернено пропорційні кількості фаз.

Виходячи з цього правила знайдемо співвідношення між рідкою фазою (Ж) і кристалами (В):

Ж = · 100%; B = · 100%

Якщо кількість сплаву позначити Q,то

Ж = · Q; B = · Q

Після розгляду побудови діаграми сплаву свинець-сурма може виникнути запитання: чи велика різноманітність діаг­рам сплавів? Виявилося, що ні. Експериментальні досліджен­ня показали, що всі діаграми можна розділити на чотири типи (рис. 7).

а) б) в) г)

Рис. 7.

Як з'ясувалось, тип діаграми відповідає типу сплаву. Механічна суміш має діаграму, показану на рис. 7, а, твердий розчин з обмеженою розчинністю в твердому стані розчинюваного — рис. 7, б, твердий розчин з необмеженою розчинні­стю — рис. 7, в, хімічна сполука — рис. 7, г. Проте, діаграми деяких сплавів не співпадають із зазначеними вище. Вони складаються з їх частин. Виявляється, що тип сплаву зале­жить не тільки від його компонентів, а й від концентрації. До цього винятку належить і діаграма сплаву заліза з вуглецем. І Іри незначній кількості вуглецю залізо з вуглецем утворює і вердий розчин, а більший — хімічну сполуку.