Экспериментальное построение диаграмм

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ

Правило фаз

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния сплава. Если изменяется состав сплава, его температура, давление и состояние сплава также изменяется, то это находит гра­фическое отображение в диаграмме состояния.

Диаграмма состояния показывает устойчивые состояния, т. е. состояния, которые при данных условиях обладают минимумом сво­бодной энергии. Поэтому диаграмма состояния может также назы­ваться диаграммой равновесия, так как она показывает, какие при данных условиях существуют равновесные фазы. В соответствии с этим и изменения в состоянии, которые отражены на диаграмме, относятся к равновесным условиям, т. е. при отсутствии перенагрева или переохлаждения. Однако, как мы видели раньше, равновесные превращения, т. е. превращения в отсутствие переохлаждения или перенагрева, в действительности не могут совершаться, поэтому диаграмма состояния представляет собой теоретический слу­чай, а в практике используется для рассмотрения превращений при малых скоростях нагрева или охлаждения.

Общие закономерности сосуществования устойчивых фаз, отве­чающих теоретическим условиям равновесия, могут быть выражены в математической форме, именуемой правилом фаз, или законом Гиббса.

Правило фаз дает количественную зависимость между степенью свободы системы и количеством фаз и компонентов.

Фазой называется однородная часть си­стемы, отделенная от других частей системы (фаз) поверхностью раздела при пере­ходе через которую химический состав или структура вещества изменяется скачком.

Следовательно, однородная жидкость является однофазной систе­мой, а механическая смесь двух видов кристаллов — двухфазной, так как каждый кристалл отличается от другого по составу или по строению и они отделены один от другого поверхностью раздела.

Компонентами называются вещества, об­разующие систему. Следовательно, чистый металл пред­ставляет собой однокомпонентную систему, сплав двух металлов — двухкомпонентную и т.д. Химические соединения можно рассма­тривать как компоненты лишь в том случае, если они не диссоциируют на составные части в исследуемых интервалах температур.

Под числом степеней свободы (вариант­ностью) системы понимают число внешних и внутренних факторов (температура, давле­ние и концентрация), которое можно из­менять без изменения числа фаз в системе.

Если число степеней свободы равно нулю (нонвариантная система) то, очевидно, нельзя изменять внешние и внутренние факторы си­стемы (температуру, давление, концентрацию) без того, чтобы это не вызвало изменения числа фаз.

Если число степеней свободы равно единице (моновариантная система), то возможно изменение в некоторых пределах одного из перечисленных факторов и это не вызовет уменьшения или увеличения числа фаз.

Правило фаз представляет собой математическое выражение ус­ловия равновесия системы, т. е. уравнение правила фаз показывает количественную зависимость между числом степеней свободы системы с и числом компонентов k и фаз f:

C = k – f + 2

При выводе уравнения правила фаз исходили из того, что термодинамический потенциал каждого компонента во всех сосуществующих фазах минимален, поэтому система не стремится ни к каким изме­нениям и находится в равновесном состоянии. Правило фаз и все связанные с ним выводы справедливы только для равновесного со­стояния.

Независимыми переменными в уравнении правила фаз являются концентрация, температура и давление. Если принять, что все пре­вращения в металле происходят при постоянном давлении, то число переменных уменьшится на единицу (давление постоянно), и урав­нение правила фаз примет следующий вид:

с = k — f + 1.

Это выражение правила фаз будем применять к металлическим системам равновесия, считая давление во всех процессах неизменным.

Посмотрим, как изменяется степень свободы однокомпонентной системы (k = 1) для случая кристаллизации чистого металла. Когда металл находится в жидком состоянии, т. е. f = 1 (одна фаза — жидкость), число степеней свободы равно 1 (с = k — f + 1=1 – 1 + 1 = 1).

Температуру в данном случае можно изменять, не изменяя агре­гатного состояния. В момент кристаллизации f = 2 (две фазы — твердая и жидкая),

с = k — f + 1=1 – 2 + 1 = 0. Это значит, что две фазы находятся в равновесии при строго определенной темпе­ратуре (температуре плавления), и она не может быть изменена до тех пор, пока одна из фаз не пропадет, т. е. система не станет моно­вариантной (с = 1).

 

Правило отрезков

В процессе кристаллизации изменяются и концентрация фаз (по­этому состав жидкости изменяется), и количество каждой фазы (при кристаллизации количество твердой фазы увеличивается, а жидкой уменьшается). В любой точке диаграммы, когда в сплаве одновре­менно существуют две фазы, можно определить количество обеих фаз и их концентрацию. Для этого служит так называемое правило рычага, или правило отрезков.

В точке а, показывающей состояние сплава К. при температуре t ₁ (рис. 5), сплав состоит из кристаллов В и жидкости. Выше точки l сплав находится в однофазном состоянии, и концентрация компо­нентов в этой фазе (т.е. в жидкости) определялась проекцией точки l. При охлаждении из сплава выделяются кристаллы В и состав жид­кости изменяется в сторону увеличения в ней компонента А. При температуре t ₁ концентрация компонента В в жидкости определяется проекцией точки b; это максимальное количество компонента В, которое может содержать жидкость при t₁. По достижении эвтекти­ческой температуры жидкость принимает эвтектическую концен­трацию. Следовательно, при охлаждении сплава К концентрация жидкости меняется по кривой l C. Выделяющиеся кристаллы В имеют постоянный состав — это чистый компонент В, концентрация которого лежит на вертикальной оси ВВ.

Первое положение правила отрезков формулируется следующим образом. Чтобы определить концентрации компонентов в фазах, через данную точку, ха­рактеризующую состояние сплава, прово­дят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими данную об­ласть; проекции точек пересечения на ось концентраций показывают составы фаз.

Следовательно, для сплава К при температуре t₁ составы обеих фаз определятся проекциями точек b и с, так как эти точки находятся на пересечении горизонтальной ли­нии проходящей через точку а, с линиями диаграммы.

Рис.5. Диаграмма состояния (к применению на ней правила отрезков)

Количество этих фаз также можно определить. Для определения количества каждой фазы (второе положе­ние правила отрезков) предположим, что сплав К находится при темпе­ратуре t ₁.

 

Если масса сплава равна единице и изображается отрезком bc, то масса кри­сталлов в точке а у сплава К равна отношению а b / b с.

  Количество жидкости определяется отношением ac / bc.

 

Отношение количества твердой и жидкой фаз определяется отношением ba / ac.

 

Если точка а определяет состояние сплава, точка b — состав жидкой фазы, а точка с — состав твердой фазы, то отрезок b с опреде­ляет все количество сплава, отрезок ас — количество жидкости и отрезок ba — количество кристаллов.

Второе положение правила отрезков формулируется так. Для того чтобы определить количествен­ное соотношение фаз, через заданную точку проводят горизонтальную линию. Отрезки этой линии между заданной точкой и точ­ками, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз.

Правило отрезков в двойных диаграммах состояния можно при­менить только в двухфазных областях. В однофазной области имеется лишь одна фаза; любая точка внутри области характеризует ее кон­центрацию.

 

5. Диаграмма состояния для сплавов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии (II рода)

Оба компонента неограниченно растворимы в жидком и твердом состояниях и не образуют химических соединений.

Компоненты: А, В.

Фазы: L, α.

Если два компонента неограниченно растворяются в жидком и твердом состояниях, то возможно существование только двух фаз — жидкого раствора L и твердого раствора а. Следовательно, трех фаз быть не может, кристаллизация при постоянной температуре не наблюдается и горизонтальной линии на диаграмме нет.

Диаграмма, изображенная на рис. 6, состоит из трех областей:

жидкость, жидкость + твердый раствор и твердый раствор.

Линия АтВ является линией ликвидус, а линия АпВ — линией солидус. Процесс кристаллизации изображается кривой охлаждения сплава (рис. 6).

Точка 1 соответствует началу кристаллизации, точка 2 — концу. Между точками 1 и 2 (т. е. между линиями ликвидус и солидус) сплав находится в двухфазном состоянии. При двух компонентах и двух фазах система моновариантна (с = k - f + 1 = 2 - 2 + 1 = 1), т. е. если изменяется температура, то изменяется и концентрация компонентов в фазах; каждой температуре соответствуют строго определенные составы фаз. Концентрация и количество фаз у сплава, лежащего между линиями солидус и ликвидус, определяются прави­лом отрезков. Так, сплав К  в точке а состоит из жидкой и твердой фаз. Состав жидкой фазы определится проекцией точки b, лежащей на линии ликвидус, а состав твердой фазы — проекцией точки с, лежащей на линии солидус. Количество жидкой и твердой фаз опреде­ляется из следующих соотношений: количество жидкой фазы ас/ b с, количество твердой фазы ba / bc.

Обратим внимание, что во всем интервале кристаллизации (от точки 1 до точки 2) из жидкого сплава, имеющего исходную концен­трацию К, выделяются кристаллы, более богатые тугоплавким ком­понентом. Состав первых кристаллов определится проекцией s. За­кончиться кристаллизация сплава К должна в точке 2, когда послед­няя капля жидкости, имеющая состав l, затвердеет. Отрезок, показы­вающий количество твердой фазы, равнялся нулю в точке 1, когда только началась кристаллизация, и количеству всего сплава в точке 2, когда кристаллизация закончилась. Состав жидкости изменяется по кривой 1 — l, а состав кристаллов — по кривой s — 2, и в момент окончания кристаллизации состав кристаллов такой же, как и состав исходной жидкости.

	Рис.6. Диаграмма состояния (неограниченная растворимость в твердом состоянии) и кривая охлаждения.

 

7. Диаграмма состояния для сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состоянии (III рода)

Оба компонента неограниченно растворимы в жидком состоянии, ограниченно в твердом и не образуют химических соединений.

Компоненты: А, В.

Фазы: L, α, β.

В сплавах такого рода возможно существование: жидкой фазы, твердого раствора компонента В в А, который мы будем называть α - раствором, и твердого раствора компонента А в В, который обозна­чим через β. В этих сплавах возможно нонвариантное равновесие при одновременном сосуществовании трех фаз: L, α, β. В зависимо­сти от того, какая реакция протекает в условиях существования трех фаз, могут быть два вида диаграмм: диаграмма с эвтектикой и диаграмма с перитектикой.

 

Диаграмма с эвтектикой

В этой системе не образуются фазы, представляющие собой чистые компоненты. Из жидкости могут выделяться только твердые рас­творы α или β. Следовательно, около вертикалей А и В (рис. 7), соответ­ствующих чистым компонентам, на­ходятся области существования твердых растворов α или β. Предель­ная растворимость компонента В в А определяется линией DF, а пре­дельная растворимость А в В— линией CG.

Рис.7. Диаграмма состояния с эвтектикой

 

 

Сплавы, находящиеся между этими двумя линиями, находятся за пределами растворимости и яв­ляются двухфазными, состоящими из α + β. Окончание кристаллизации происходит по эвтектиче­ской реакции

L → α + β.

Линия АЕВ является на этой диаграмме линией ликвидус, линия ADCB — линией солидус. Зная правило фаз и правило отрезков, можно проследить за процессом кристаллизации любого сплава.

Кристаллизация сплава I. Выше точки 1 сплав находится в жидком состоянии. В точке 1 начинается процесс кри­сталлизации. Выделяются кристаллы твердого раствора α, концен­трация которого изменяется по кривой а — 2, а состав жидкости изменяется по кривой 1 — b. В точке 2 кристаллизация закончится, и полученные кристаллы твердого раствора должны иметь (для рав­новесной кристаллизации) концентрацию исходной жидкости. Эти кристаллы не претерпевают изменений до точки 3, лежащей на линии предельной растворимости. Ниже этой точки твердый раствор α является пересыщенным и выделяет избыточные кристаллы. Такими кристаллами являются кристаллы β-твердого раствора, что опреде­ляют, применяя правило рычага для сплава, лежащего внутри двух­фазной области α + β (т. е. для сплава ниже линии DF).

Состав твердого раствора а изменяется по кривой 3 — F, вслед­ствие выделения кристаллов β концентрации G. Количество кристал­лов β при охлаждении увеличивается. Количество кристаллов β, вы­делившихся из сплава I, характеризуется отрезком от вертикали I до линии 3 — F.

Кривая охлаждения и схемы структур этого сплава при различных температурах показаны на рис. 8.

Рис.8. Кривые охлаждения и схемы структур: а- сплава, образующего при кристаллизации твердый раствор с последующим выделением вторичной фазы, б- доэвтектический сплав.

Кристаллы β, выделившиеся из твердого раствора, называются вторичными кристаллами и часто обозначаются символом β_II в от­личие от первичных β-кристаллов (β_I), выделяющихся из жидкости.

 

Процесс выделения вторичных кристаллов из твердой фазы носит

название вторичной кристаллизации в отличие от процесса первичной кристаллизации, когда кристаллы (первичные) образуются в жидкой

фазе.

Нужно отметить, что сплав, концентрация которого лежит левее точки F, не будет иметь вторичных выделений β-кристаллов.

Так как линия CG в отличие от линии FD изображена на рис. 7 вертикальной, т.е. растворимость компонента А в В не зависит от температуры, то вторичных выделений α-кристаллов нет, но они были бы, если бы линия CG была наклонена вправо, т. е. раствори­мость уменьшалась бы с понижением температуры.

Точка D для твердого раствора α показывает максимальную растворимость компонента В в компоненте А при наиболее благоприят­ных условиях.

Кристаллизация сплава II. При кристаллизации этого сплава, в отличие от предыдущего, при достижении горизон­тальной линии DEC наступает нонвариантная реакция. В равнове­сии находятся три фазы — жидкость Е, α-кристаллы состава точки D и β-кристаллы состава точки С. Введем условную запись: индекс возле символа, обозначающего фазу, показывает состав фазы. На­пример, α_D означает твердый раствор α состава точки D. По дости­жении температуры, соответствующей горизонтали DEC, наступает эвтектическая реакция — из жид­кости выделяются кристаллы обоих твердых растворов:

L_E → α _D + β_C.

Рис.9. диаграмма состояния с перетектикой

 

Реакция эта нонвариантна, так как при двух компонентах в реакции участвуют три фазы (с = k – f + 1 = 2 — 3 + 1 = 0).

Все три фазы, участвующие в реакции, имеют определенные со­ставы (проекции точек Е, D и С) и температура их превращения по­стоянна.

В результате кристаллизации сплава II, кроме первичных (выде­лившихся при охлаждении от точки 1 до точки 2) кристаллов α об­разуется еще эвтектика α + β.

При дальнейшем охлаждении вследствие изменения растворимости α -кристаллы выделяют вторичные кристаллы β_II и при нормальной температуре α-кристаллы (как первичные, так и входящие в эвтек­тику) будут иметь состав, отвечающий точке F.

Кривая охлаждения сплава II и структуры этого сплава показана на рис. 8, б.

Выделение вторичных кристаллов из эвтектических составляю­щих обычно не обнаруживается при микроскопическом исследова­нии, так как вторичные выделения объединяются с такой же (одно­именной) фазой эвтектики.

Несмотря на многообразие структурных составляющих, окон­чательно охлажденный сплав содержит только две фазы α и β, и пра­вило фаз, если его применить ниже линии DE, покажет все количе­ство α- и β-фаз независимо от того, в какой структурной форме они находятся.

 

Диаграмма c перитектикой

При эвтектическом превращении жидкость кристаллизуется с образованием двух твердых фаз. Возможен и другой тип нонвариантного превращения (трехфазного равновесия), когда жидкость реагирует с ранее выпавшими кристаллами и образует новый вид кристаллов L + β → α. Реакция подобного типа называется перитектической.

Диаграмма с перитектическим превращением показана на рис. 9. На диаграмме показаны три однофазные области: жидкость L и огра­ниченные твердые растворы α и β.

Линия AВС является линией ликвидус, линия APDB — линией солидус.

Рис.10. Кривые охлаждения сплавов после окончания перетектической реакции, в которых в избытке остаются: а- твердый раствор, б- жидкая фаза.

Кристаллизация сплава I. Кристаллизация начи­нается в точке 1 (рис. 10), когда из жидкости выпадают кристаллы β-раствора состава точки b. Затем по мере снижения температуры жидкость меняет свою концентрацию по линии ликвидус от точки 1 до точки С, а кристаллы β — по линии солидус от точки b до точки D. По достижении перитектической горизонтали CPD состав жидкости будет отвечать точке С, а состав кристаллов — точке D. Эти обе фазы реагируют и дают третью фазу α, концентрация которой опреде­ляется точкой Р — третьей точкой на горизонтали. Перитектическая реакция изображается следующим образом:

L_C + β_D → α_P или в более общем случае L + β → α

так как точки D и Р показывают предельную концентрацию твердых растворов β и α (для простоты линии предельной растворимости даны вертикальными). Количественное соотношение фаз при перитектической реакции, необходимое для образования α-фазы, определяется по правилу отрезков соотношением

.

В рассматриваемом же сплаве количество участвующих в перитектической реакции кристаллов β и жидкости определяется соотношением

,

т.е. в данном сплаве имеется избыток β-фазы по сравнению с тем количеством, которое необходимо для образования α-кристаллов. Поэтому по окончании реакции в избытке остаются β-кристаллы. Следовательно, в структуре будут продукты перитектической реак­ции (т. е. α-кристаллы) и оставшиеся избыточные первичные β -кри­сталлы. Чем ближе точка -2 лежит к точке Р, тем меньше в реакции остается избыточных β -кристаллов.

Для сплава, отвечающего по концентрации точке Р, соотношение реагирующих при перитектическом превращении жидкости и β -кристаллов таково, что оно как раз достаточно для образования α-кри­сталлов предельной концентрации.

На рис. 10, а показана кривая охлаждения сплава I; отдельные моменты кристаллизации показаны на схемах структур. Для перитек­тической кристаллизации (средняя схема) характерно то, что новая α-фаза появляется на границе реагирующей друг с другом жидкости и β -кристаллов. Для сплава I перитектической реакцией заканчи­вается процесс кристаллизации.

Кристаллизация сплава II (рис. 10, б). Отличие кристаллизации этого сплава от кристаллизации сплава I состоит в том, что при перитектической температуре имеется избыток жидкой фазы по сравнению с тем количеством, которое необходимо для обра­зования α-кристаллов концентрации Р. Поэтому перитектическое превращение заканчивается исчерпанием β -твердого раствора, и оставшаяся жидкость в интервале между точками 2'—3 кристалли­зуется в α-фазу. При этом концентрация жидкости изменяется по кривой С—а, а концентрация образующихся α-кристаллов — по Р —3 (см. рис. 9).

 

8. Диаграмма состояния для сплавов, образующих химические соединения (IV рода)

Химическое соединение, ха­рактеризуется определенным соотношением компонентов, а это отра­жается на диаграмме вертикальной линией, проходящей на оси абсцисс через точку, отвечающую соотношению компонентов в хими­ческом соединении. Если компоненты А и В образуют химическое соединение А_nВ_т, то, следовательно, на п + т его атомов приходится п атомов А и т атомов В. Определенному атомному соотношению соответствует и определенное соотношение по массе.

Химическое соединение устойчиво, если его можно нагреть без разложения до расплавления, и неустойчиво, если при нагреве оно разлагается. В зависимости от этого могут быть два вида диаграмм. Кроме того, возможно образование нескольких химических соедине­ний между двумя компонентами, а также растворимость на базе химического соединения — эти обстоятельства также находят отра­жение в диаграмме состояния.

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ

Правило фаз

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния сплава. Если изменяется состав сплава, его температура, давление и состояние сплава также изменяется, то это находит гра­фическое отображение в диаграмме состояния.

Диаграмма состояния показывает устойчивые состояния, т. е. состояния, которые при данных условиях обладают минимумом сво­бодной энергии. Поэтому диаграмма состояния может также назы­ваться диаграммой равновесия, так как она показывает, какие при данных условиях существуют равновесные фазы. В соответствии с этим и изменения в состоянии, которые отражены на диаграмме, относятся к равновесным условиям, т. е. при отсутствии перенагрева или переохлаждения. Однако, как мы видели раньше, равновесные превращения, т. е. превращения в отсутствие переохлаждения или перенагрева, в действительности не могут совершаться, поэтому диаграмма состояния представляет собой теоретический слу­чай, а в практике используется для рассмотрения превращений при малых скоростях нагрева или охлаждения.

Общие закономерности сосуществования устойчивых фаз, отве­чающих теоретическим условиям равновесия, могут быть выражены в математической форме, именуемой правилом фаз, или законом Гиббса.

Правило фаз дает количественную зависимость между степенью свободы системы и количеством фаз и компонентов.

Фазой называется однородная часть си­стемы, отделенная от других частей системы (фаз) поверхностью раздела при пере­ходе через которую химический состав или структура вещества изменяется скачком.

Следовательно, однородная жидкость является однофазной систе­мой, а механическая смесь двух видов кристаллов — двухфазной, так как каждый кристалл отличается от другого по составу или по строению и они отделены один от другого поверхностью раздела.

Компонентами называются вещества, об­разующие систему. Следовательно, чистый металл пред­ставляет собой однокомпонентную систему, сплав двух металлов — двухкомпонентную и т.д. Химические соединения можно рассма­тривать как компоненты лишь в том случае, если они не диссоциируют на составные части в исследуемых интервалах температур.

Под числом степеней свободы (вариант­ностью) системы понимают число внешних и внутренних факторов (температура, давле­ние и концентрация), которое можно из­менять без изменения числа фаз в системе.

Если число степеней свободы равно нулю (нонвариантная система) то, очевидно, нельзя изменять внешние и внутренние факторы си­стемы (температуру, давление, концентрацию) без того, чтобы это не вызвало изменения числа фаз.

Если число степеней свободы равно единице (моновариантная система), то возможно изменение в некоторых пределах одного из перечисленных факторов и это не вызовет уменьшения или увеличения числа фаз.

Правило фаз представляет собой математическое выражение ус­ловия равновесия системы, т. е. уравнение правила фаз показывает количественную зависимость между числом степеней свободы системы с и числом компонентов k и фаз f:

C = k – f + 2

При выводе уравнения правила фаз исходили из того, что термодинамический потенциал каждого компонента во всех сосуществующих фазах минимален, поэтому система не стремится ни к каким изме­нениям и находится в равновесном состоянии. Правило фаз и все связанные с ним выводы справедливы только для равновесного со­стояния.

Независимыми переменными в уравнении правила фаз являются концентрация, температура и давление. Если принять, что все пре­вращения в металле происходят при постоянном давлении, то число переменных уменьшится на единицу (давление постоянно), и урав­нение правила фаз примет следующий вид:

с = k — f + 1.

Это выражение правила фаз будем применять к металлическим системам равновесия, считая давление во всех процессах неизменным.

Посмотрим, как изменяется степень свободы однокомпонентной системы (k = 1) для случая кристаллизации чистого металла. Когда металл находится в жидком состоянии, т. е. f = 1 (одна фаза — жидкость), число степеней свободы равно 1 (с = k — f + 1=1 – 1 + 1 = 1).

Температуру в данном случае можно изменять, не изменяя агре­гатного состояния. В момент кристаллизации f = 2 (две фазы — твердая и жидкая),

с = k — f + 1=1 – 2 + 1 = 0. Это значит, что две фазы находятся в равновесии при строго определенной темпе­ратуре (температуре плавления), и она не может быть изменена до тех пор, пока одна из фаз не пропадет, т. е. система не станет моно­вариантной (с = 1).

 

Экспериментальное построение диаграмм

Обычно для построения диаграмм состояния пользуются результа­тами термического анализа, т.е. строят кривые охлаждения и по остановкам и перегибам на этих кривых, вызванным тепловым эффек­том превращений, определяют температуры превращения.

Температуру металлов измеряют обычно при помощи термопары.

 

Температура кристаллизации определяется следующим образом. В печь 1 (рис. 1) помещают тигелек 2, в котором расплавляют исследуемый сплав 3. Затем в расплав погружают горячий спай 4 термопары 5 (защищенной фарфоровым или кварцевым колпачком 6) и выклю­чают печь. Начинается охлаждение и температуру отмечают через определен­ные промежутки времени. Появление изменений в агрегатном состоянии в связи с выделением скрытой теплоты превра­щения отражается на кривой темпера­тура — время.

 

Рис.1. Схема установки для изучения процесса кристаллизации термическим методом: 1- печь, 2- тигель, 3- расплавленный металл, 4- горячий спай, 5- термопара, 6- колпачок, 7- холодный спай, 8- ральванометр.

 

Имея достаточное количество спла­вов и определив в каждом сплаве температуры превращений, можно построить диаграмму состояния.

Для более точного построения диа­граммы состояния в дополнение к термическому методу изучают с помощью микроскопа и рентгеновских лучей структуру сплавов разного состава и по-разному обработанных термически, изме­ряют разнообразнейшие физические свой­ства сплавов и т.д.

 

Вид диаграммы определяется характером взаимодействий, кото­рые возникают между компонентами в жидком и твердом состояниях. Во всех случаях пред­полагают, что в жидком состоянии существует неограниченная растворимость, т. е. однородная фаза (в дальнейшем будет обозначаться буквой L) существует при любом соотношении ком­понентов.

 

3. Диаграмма состояния для сплавов, образующих механические смеси из чистых компонентов (1 рода)

Оба компонента в жидком состоянии неограниченно растворимы, а в твердом состоянии нерастворимы и не образуют химических соединений.

Компоненты: вещества АиВ (k = 2 ).

Фазы: жидкость L, кристаллы А и кристаллы В (максимальное значение, f = 3).

Общий вид диаграммы состояния показан на рис. 2. Линяя АСВ является линией ликвидус (начало кристаллизации), линия DCE - линией солидус (конец кристаллиза­ции).

Рис. 2. Диаграмма состояния для сплавов I-III (см. рис. 3)

 

На линии АС начинают (при охлаждении) выделяться кристал­лы А, а на линии СВ —- кристаллы В. На линии DCE из жидкости кон­центрации С одновременно выде­ляются кристаллы А и В.

Если взять какой-нибудь сплав, например сплав I, то кривая охлаждения для него будет иметь вид, показанный на рис. 3. На этой кривой участок 0 -1 соответ­ствует охлаждению жидкого сплава, участок 1—2 — выделению криcталлов А, участок 2 — 2' — совмест­ному выделению кристаллов А и В и участок 2 — 3 — охлаждению твердого тела. На рис. 3 схематически показано строение сплава в разные моменты кристаллизации. Из жидкости (левый рисунок) вы­деляются кристаллы А, затем оставшаяся жидкость кристаллизуется с одновременным выделением кристаллов А и В. Правый крайний рисунок показывает структуру уже закристаллизовавшегося металла; видны первичные выделения кристаллов А и механическая смесь кристаллов А + В, которые кристаллизовались одновременно.

Механическая смесь двух (или более) видов кристаллов, одновре­менно кристаллизовавшихся из жидкости, называется эвтектикой (т.е. легко плавящаяся).

Кривая охлаждения сплава эвтектической концентрации показана на рис. 3, б. На кривой охлаждения отрезок 0—2 соответствует охлаждению жидкого сплава, отрезок 2—2' — кристаллизации эвтектики и 2'—3 — охлаждению закристаллизовавшегося сплава.

Кривая охлаждения заэвтектического сплава (сплав I можно на­звать доэвтектическим, сплав II—эвтектическим и сплав III— заэвтектическим) изображена на рис. 3, в. На кривой охлаждения отрезок 0—1 соответствует охлаждению жидкости, отрезок 1 — 2 — выделению кристаллов В, 2—2' — кристаллизации эвтектики и 2'—3 —охлаждению закристаллизовавшегося сплава.

Отдельные моменты охлаждения сплава показаны на схемах структур на том же рисунке. В отличие от кристаллов А, которые на рис. 3, а изображались белыми, кристаллы В на рис. 3, в — черные.

На рис. 4 приведены микроструктуры реальных сплавов системы РЬ-Sb.

На диаграмме состояний (см. рис. 2) показаны области существо­вания различных, фаз. Ниже эвтектической горизонтали D СЕ на­ходятся две фазы — кристаллы А и В. Левее эвтектической концен­трации из жидкости выделяются вначале кристаллы А, а затем эвтек­тика. Поэтому структурное состояние доэвтектического сплава можно обозначить через А + эвтектика (А + В) и заэвтектического — В + эвтектика (А + В), хотя и в том и в другом случае в сплаве две фазы: А и В.

 

 

Рис 3. Кривые охлаждения сплавов: а- доэвтектического, б- эвтектического, в- заэвтектического.

Рис.4. Структура сплавов свинец-сурьма, х100: а- чистый свинец, б- 5 % Sb, в- 13 % Sb, г- 30% Sb, д- чистая сурьма.

 

 

Правило отрезков

В процессе кристаллизации изменяются и концентрация фаз (по­этому состав жидкости изменяется), и количество каждой фазы (при кристаллизации количество твердой фазы увеличивается, а жидкой уменьшается). В любой точке диаграммы, когда в сплаве одновре­менно существуют две фазы, можно определить количество обеих фаз и их концентрацию. Для этого служит так называемое правило рычага, или правило отрезков.

В точке а, показывающей состояние сплава К. при температуре t ₁ (рис. 5), сплав состоит из кристаллов В и жидкости. Выше точки l сплав находится в однофазном состоянии, и концентрация компо­нентов в этой фазе (т.е. в жидкости) определялась проекцией точки l. При охлаждении из сплава выделяются кристаллы В и состав жид­кости изменяется в сторону увеличения в ней компонента А. При температуре t ₁ концентрация компонента В в жидкости определяется проекцией точки b; это максимальное количество компонента В, которое может содержать жидкость при t₁. По достижении эвтекти­ческой температуры жидкость принимает эвтектическую концен­трацию. Следовательно, при охлаждении сплава К концентрация жидкости меняется по кривой l C. Выделяющиеся кристаллы В имеют постоянный состав — это чистый компонент В, концентрация которого лежит на вертикальной оси ВВ.

Первое положение правила отрезков формулируется следующим образом. Чтобы определить концентрации компонентов в фазах, через данную точку, ха­рактеризующую состояние сплава, прово­дят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими данную об­ласть; проекции точек пересечения на ось концентраций показывают составы фаз.

Следовательно, для сплава К при температуре t₁ составы обеих фаз определятся проекциями точек b и с, так как эти точки находятся на пересечении горизонтальной ли­нии проходящей через точку а, с линиями диаграммы.

Рис.5. Диаграмма состояния (к применению на ней правила отрезков)

Количество этих фаз также можно определить. Для определения количества каждой фазы (второе положе­ние правила отрезков) предположим, что сплав К находится при темпе­ратуре t ₁.

 

Если масса сплава равна единице и изображается отрезком bc, то масса кри­сталлов в точке а у сплава К равна отношению а b / b с.

  Количество жидкости определяется отношением ac / bc.

 

Отношение количества твердой и жидкой фаз определяется отношением ba / ac.

 

Если точка а определяет состояние сплава, точка b — состав жидкой фазы, а точка с — состав твердой фазы, то отрезок b с опреде­ляет все количество сплава, отрезок ас — количество жидкости и отрезок ba — количество кристаллов.

Второе положение правила отрезков формулируется так. Для того чтобы определить количествен­ное соотношение фаз, через заданную точку проводят горизонтальную линию. Отрезки этой линии между заданной точкой и точ­ками, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз.

Правило отрезков в двойных