Диаграммы состояния двойных сплавов

Процесс кристаллизации металлических сплавов и связанные с ним закономерности их строения отражаются на диаграммах состояния. Эти диаграммы представляют собой графическое изображение фазо­вого состояния сплавов в зависимости от температуры и концентра­ции компонентов в условиях равновесия и строятся в координатах температура - состав сплава (рис. 1.8, а).

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

где С - число степеней свободы системы; k - число компонентов в системе; f - число фаз в системе.

Под числом степеней свободы системы понимают число внешних и внутренних факторов (температура, давление, концентрация), кото­рые можно изменять без изменения числа фаз в системе. Если число степеней свободы равно единице, то можно изменить в некоторых пределах один из перечисленных факторов и это не вызовет уменьше­ние или увеличение числа фаз.

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:

Для случая кристаллизации чистого металла, когда металл нахо­дится в жидком состоянии, f = 1 (одна фаза - жидкость), а число сте­пеней свободы равно 1 (1 - 1 + 1 = 1). В момент кристаллизации f = 2 (две фазы - твердая и жидкая), a C = k – f + 1 = 1 – 2 + 1 = 0. Это оз­начает, 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 исчезнет.

Рис. 1.8. Диаграмма состояния I рода (а), кривые охлаждения сплавов I ...V и схемы их структур (б): АСB - ликвидус; DCE – солидус

Подобным образом можно рассчитать число степеней свободы и для случая кристаллизации сплавов.

Для построения диаграммы используют кривые охлаждения чис­тых компонентов, образующих систему (в общем случае А и В), и их сплавов различного состава, полученные методом термического ана­лиза (рис. 1.8, б). По кривым охлаждения определяют температуры фазовых превращений - критические точки. На кривых охлажде­ния I и V чистых компонентов А и В имеется только по одной крити­ческой точке, так как кристаллизация чистых металлов протекает при постоянной температуре .

Процесс кристаллизации сплавов II... IV протекает иначе: сначала в интервале температур между точками 1 и 2, а затем при постоянной температуре (точки 2 и2'). Ниже этой температуры происходит охла­ждение уже твердого вещества. Первая критическая точка (1), отве­чающая началу кристаллизации, называется ликвидус, а вторая (2), отвечающая концу кристаллизации, - солидус.

Если полученные температуры нанести на вертикальные линии для чистых компонентов А и В и выбранных составов сплавов и соеди­нить одной линией точки, отвечающие началу кристаллизации - ли­квидус, а другой - точки, отвечающие концу кристаллизации - со­лидус, то получим диаграмму состояния, показанную на рис. 1.8, а. На этой диаграмме линия АСВ (ликвидус) - линия начала затвердева­ния сплавов. Выше температур этой линии все сплавы данной системы находятся в жидком состоянии. Линия DCE (солидус) - линия конца затвердевания сплавов. При температурах ниже этой линии все сплавы системы находятся в твердом состоянии. Между этими линиями часть сплава находится в твердом состоянии, а часть - в жидком.

Диаграммы состояния позволяют определить состав фаз и их ко­личественное соотношение в условиях равновесия при определенной температуре; проследить превращения, протекающие при охлажде­нии и нагревании; определить температуру начала и конца плавления (затвердевания) сплава; выяснить, будет ли сплав однородным, како­вы его жидкотекучесть, пористость, а также выбрать необходимые виды термической обработки сплава.

В процессе кристаллизации любого сплава состав и количество каждой фазы изменяются: количество жидкой фазы уменьшается, а твердой - увеличивается. Количество фаз и их состав в любой точ­ке диаграммы можно определить с помощью правила отрезков. Для определения концентрации компонентов в фазах через заданную точку, характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими данную об­ласть диаграммы. Точки пересечения указывают на фазы, находящие­ся в равновесии, а проекции точек пересечения на ось концентраций показывают состав этих фаз. Массовые (объемные) доли твердой и жидкой фаз в сплаве обратно пропорциональны отрезкам линии ме­жду заданной точкой и точками, определяющими составы этих фаз.

В зависимости от характера образующихся в сплавах структурных составляющих (механическая смесь, твердый раствор, химическое соединение) различают следующие типы диаграмм состояния:

o с полной нерастворимостью компонентов в твердом состоянии;

o с полной растворимостью компонентов в твердом состоянии;

o с ограниченной растворимостью компонентов;

o компоненты образуют химическое соединение.