Правила, применяемые при построении диаграмм состояния

Изучение любого сплава начинается с построения и анализа диаграммы состояния.

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение зависимости температур фазовых превращений в сплавах от их состава. Диаграммы состояния строятся в условиях охлаждения с бесконечно малой скоростью, т.е. они соответствуют равновесному состоянию.

На рис. 13.1 изображена диаграмма состояния (фазового равновесия) двойного сплава (А – В). Левая ордината на оси концентраций соответствует 100%-ному содержанию компонента А, правая – 100%-ному содержанию В. В интервале концентраций между чистыми элементами находятся промежуточные фазы сплава АВ.

При температурах выше линии b, называемой линией ликвидус, существует только жидкая фаза. При температурах ниже линии a, называемой линией солидус, существует твердый раствор. Между линиями ликвидус и солидус в равновесии находятся жидкая фаза и твердый раствор.

Диаграммы фазового равновесия характеризуют окончательное или предельное состояние сплавов, т.е. 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. Закономерность изменения числа фаз в гетерогенной системе определяется правилом фаз, которое устанавливает зависимость между числом степеней свободы, компонентов и фаз:

C = K + P – Ф, (13.1)

где C – число степеней свободы системы (под числом степеней свободы понимают возможность изменения температуры, давления и концентрации без изменения числа фаз, находящихся в равновесии); K – число компонентов, образующих систему; P – число внешних факторов (давление и температура);
Ф – число фаз, находящихся в равновесии.

Так как изменение атмосферного давление незначительно влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях, можно принять, что
P = 1, тогда C = K + 1 – ф. Поскольку число степеней свободы C не может быть меньше 1, то Ф < K + 1. Отсюда следует, что число фаз в сплаве, находящемся в равновесном состоянии, не может быть больше, чем число компонентов плюс единица (т.е. в двойной системе равновесия может находиться не более трех фаз, в тройной – четырех и т.д.).

Если в равновесии в системе находится максимальное число фаз, то число степеней свободы равно нулю (C = 0). В этом случае сплав может существовать только в совершенно определенных условиях: при постоянной температуре и определенном составе всех находящихся в равновесии фаз. Такое состояние называют нонвариантным.

Обычно диаграммы состояния строят экспериментально. Для этой цели получают кривые охлаждения отдельных сплавов и по их перегибам, связанным с тепловыми эффектами превращений, определяют температуры соответствующих превращений. Эти температуры называют критическими точками. Полученное значение критических точек изучаемых сплавов откладывают на вертикальных линиях, соответствующих химическому составу этих сплавов. Затем соединяют критические точки и получают линии диаграммы состояний.

Количественное соотношение фаз в период кристаллизации устанавливают по правилу отрезков. Для этого в сплаве с заданной концентрацией через данную температуру необходимо провести линию, параллельную оси концентрации до пересечения с линиями ликвидус и солидус (рис. 13.1). Количество жидкой и твердой фаз в сплаве составит:

Ж = (ас / ab) ´ 100%; T_В = (bc / ab) ´ 100%. (13.2)

Количество компонентов в каждой фазе учитывают по правилу концентраций. Для этого через данную температуру, как и в случае правила отрезков, следует провести линию, параллельную оси концентрации до пересечения с линиями ликвидус и солидус. Проекция точки пересечения с кривой ликвидус на ось концентрации укажет состав оставшейся жидкой фазы, а проекция точки пересечения с кривой солидус – состав твердой фазы, образовавшейся при этой температуре.

Однако правило отрезков и концентраций применяется в областях диаграммы, где происходят реакции фазовых превращений (РФП) при нагреве или охлаждении.