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 Гіббса):

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 охолодження Для конкретного сплаву з різною концентрацією компонентів 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 2.1.

Рис. 2.1

Лінію АСВ називають ліквідус (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 ліквідус 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 ліквідус 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 рідкої і твердої фаз.

Рис. 2.2

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. 2.2).

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

Таким чином, при охолодженні сплаву точка к переміщується по лінії ліквідус, наближуючись із зниженням температури до точки С. Значить, лінія ліквідус показує зміну концентрації компонента В у 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:

Дата добавления: 2017-02-01