Диаграмма состояния сплавов и ее построение

При рассмотрении кристаллизации чистых металлов уже отмечалось, что изменение внешних факторов может нарушить равновесие и привести к изменению фазового состава системы. Для многокомпонентных систем добавляется еще одна переменная термодинамическая составляющая – состав (концентрация компонентов). Зависимость фазового состава сплава от температуры и химического состава графически представляется в виде диаграммы состояния. Диаграмма состояния показывает устойчивые (равновесные) состояния, т. е. состояния, которые при данных условиях обладают минимальной свободной энергией. Диаграмма состояния представляет собой теоретический случай, т. к. рассматривает процесс при отсутствии переохлаждения или перегрева, что практически невозможно. На практике используются диаграммы состояния, построенные при малых скоростях нагрева или охлаждения.

Общие закономерности сосуществования устойчивых фаз подчиняются закону равновесия Гиббса, называемом у правилом фаз, выражающему зависимость между степенью свободы системы, количеством фаз и компонентов:

c = к – ф+ n,

где с – число степеней свободы; к – число компонентов; ф – число

фаз; n – число внешних факторов, оказывающих влияние на состояние системы (давление, температура).

Однородная жидкость представляет собой однофазную систему.

Механическая смесь двух видов кристаллов – двухфазную, т. к. каждый кристалл отличается от другого по составу или строению и отделен поверхностью раздела. Компонентами называются вещества, образующие систему. Под числом степеней свободы (вариантностью) системы понимают число внешних и внутренних факторов (температура, давление,

концентрация), которое можно изменять в системе без изменения

числа фаз в ней. При числе степенейс вободы равном нулю (нонвари-

антная система), очевидно, изменениие любого из факторов вызовет

изменение числа фаз. При c 1 – система моновариантная – возможно изменение в некоторых пределах одного из факторов и это не вы-зоветуменьшенияилиувеличениячислафаз.

Обычнодляметалловпроцессыкристаллизациииперекристал-

лизациипротекаютприпостоянноматмосферномдавленииивэтом

случаеn = 1. Тогдаправилофазможнопредставитьввиде

c к-ф+1.

Рассмотримоднокомпонентнуюсистему – чистыйметалл (к= 1).

Когдаметаллнаходитсявжидкомсостоянииф= 1 (однажидкаяфаза)

с 1-1+1=1, т. е.1 степеньсвободы – системамоновариантна, при

изменении температуры в определенных пределах (до температуры

кристаллизации) числофазнеизменяется.

В момент кристаллизации ф = 2 (твердая и жидкая фазы)

с 1-2+1= 0, системанонвариантна. Этозначит, чтодвефазына-

ходятсявравновесиипристрогоопределеннойтемпературеплавле-

ния (кристаллизации).

Длядвухкомпонентныхсистем, исходяизправилафаз, вравно-

весномсостояниинеможетсуществоватьболее 3 фаз. Трифазымо-

гутсуществоватьлишьприопределенномсоставефазитемпературе

(нонвариантноесостояние). Диаграммасостояниястроитсявдвухиз-

мерениях (температура-концентрациякомпонентов). Общеесодержа-

ниекомпонентоввкаждойточкеравно 100 %. Дляэкспериментально-

гопостроениядиаграммыиспользуюттермоанализ. Приготавливают

определенное количество сплавов различного химического состава

иснимаюткривыеохлаждениясплавовприихестественноммедлен-

ном охлаждении. Переход сплаваизжидкого состояниявтвердое

ивсефазовыепревращениявтвердомсостояниисопровождаютсязна-

чительнымитепловымиэффектами, чтоотражаетсянахарактерекри-

войохлаждения. Поэтому, измеряятемпературусплававфункциивре-

мени, поперегибамиостановкамтемпературнойзависимостинакривых

охлажденияможноопределитьхарактерныекритическиеточкифазовых

превращений. Данныеточкинаносятсянаординатысоответствующих

сплавоввсистемекоординат «состав–температура» исоединяютточки

аналогичныхпревращений (первичных, вторичныхит. д.). Линии, со-

единяющиеточкианалогичныхпревращений, разграничиваютнадиа-

граммеобластифазовыхсостояний. Виддиаграммысостояниязависит

оттого, какреагируютобакомпонентамеждусобойвжидкомитвердом

состояниях, т. е. растворимылионивтвердомижидкомсостояниях, об-

разуютлихимическиесоединенияит. д.

Превращения, происходящиевметаллахвтвердомагрегатном

состоянии, изучаютпосредствомфизико-химическиханализов, мик-

роанализа, рентгеноструктурногоанализа, дилатометрииидр.