Упражнения по диаграммам состояний двойных сплавов

СПЛАВ – это вещество, полученное сплавлением нескольких химических элементов (в нашем случае – двух).

Химические элементы, оставляющие сплав, называются КОМПОНЕНТАМИ. В общем виде будем их обозначать А и В.

Для одних и тех же компонентов множество сплавов, отличающихся только концентрацией компонентов, составляют СИСТЕМУ СПЛАВОВ, которую принято именовать по перечню компонентов. Например, сплавы системы А - В – это множество сплавов из компонентов А и В, отли­чающихся содержанием А и В. Поскольку в двойных сплавах суммарная концентрация компонентов составляет 100%:

%А + %В = 100%,

то любой конкретный сплав системы А - В принято указывать содержанием в нем компонента В (например: сплав, содержащий 10% В).

Внутри сплава его компоненты распределены в общем случае неравномерно (сплав – не просто смесь компонентов), они находятся внутри различных СТРУКТУРНЫХ И ФАЗОВЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ. Свойства сплава полностью определяются его внутренними составляющими (фазовым составом, структурой), которые можно определить путем анализа диаграммы состояний.

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЙ сплавов системы А - В – это графическое изображение возможных фазовых и структурных состояний любых сплавов системы А - В в зависимости от температуры. Диаграммы состояний изображаются в координатах: температура - химический состав сплава. В нашем случае химический состав любого сплава однозначно задается указанием содержания в нем компонента В. Таким образом, координаты диаграммы состояний: температура сплава – содержание в нем компонента В.

Вид (тип) диаграммы состояний полностью определяется характером физико-химического взаимодействия его компонентов между собой. При высоких температурах, как правило, компоненты образуют однородные жидкие растворы, которые на всех диаграммах обозначаются L (жидкость).

В твердом состоянии компоненты внутри сплава могут в общем случае взаимодействовать следующим образом:

1) химически реагировать друг с другом с образованием нового вещества – ХИМИЧЕСКОГО СОЕДИНЕНИЯ A_m В_n:

А + В = A_m В_n;

Характерные особенности химического соединения:

а) кристаллическая решетка отличается от решеток компонентов, образующих химическое соединение;

б) в соединении всегда сохраняется простое кратное соотношение компонентов, что позволяет выразить их состав простой формулой;

в) свойства соединения резко отличаются от свойств образующих его компонентов;

г) температура плавления постоянна;

д) образование химического соединения сопровождается значительным тепловым эффектом.

2) растворяться в кристаллической решетке друг друга полностью либо частично, при этом образуются ТВЕРДЫЕ РАСТВОРЫ. При образовании твердых растворов один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы другого компонента располагаются в решетке первого (растворителя), изменяя ее размеры (периоды). Твердый раствор имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу. Различают твердые растворы по типу замещения, когда атомы растворенного компонента замещают часть атомов в узлах решетки растворителя, и по типу внедрения – атомы растворенного компонента находятся в междоузлиях кристаллической решетки растворителя. Твердые растворы обозначаются на диаграммах состояния греческими буквами α, β, g и т.д.

3) образовывать легкоплавкую гетерогенную смесь двух или нескольких фаз, которая кристаллизуется из жидкости строго определенного состава при постоянной температуре – ее называют ЭВТЕКТИКОЙ. А если идет распад твердого раствора определенной концентрации при постоянной температуре с образованием гетерогенной смеси двух фаз, то эту смесь называют ЭВТЕКТОИДОМ.

Важнейшими элементами внутреннего строения любых сплавов являются его фазовые составляющие (или короче – фазы).

ФАЗА – это однородная (иногда – очень малая по размерам) часть сплава, отделенная от других частей границей раздела, при переходе через которую наблюдается скачок физико-механических свойств.

В соответствии с этим определением в общем случае фазами в сплавах могут быть:

1) компоненты А, В;

2) жидкий раствор компонентов – жидкость L;

3) твердые растворы компонентов друг в друге – α, β;

4) химические соединения A_m В_n.

Следует, обратить внимание, что ЭВТЕКТИКА или ЭВТЕКТОИД – НЕ ФАЗА! (Это смесь фаз).

Каждой фазе, существование которой возможно в сплавах системы А - В, на диаграмме состояний этой системы соответствует ОДНОФАЗНАЯ ОБЛАСТЬ, то есть область температур и составов, при которых фаза способна существовать с присущими ей физическими свойствами.

При проведении анализа диаграммы состояний необходимо сначала по характерным линиям диаграммы определить вид взаимодействия компонентов в сплавах данной системы, затем выявить однофазные области на диаграмме. После этого с помощью правила отрезков (см. ниже) определить фазовый состав сплавов в остальных (двухфазных) областях диаграммы состояний и, наконец, построением кривых охлаждения для конкретных сплавов системы определить возможные структуры сплавов в охлажденном состоянии.

В соответствии с различным видом взаимодействия компонентов сплава различают несколько типов диаграмм состояний, простейшие из которых предлагаются в этом разделе для рассмотрения и анализа.