Краткие теоретические сведения. Диаграмма состояния представляет собой графическое изображе­ние фазового состава сплава в равновесном состоянии в зависимос­ти от температуры и концентрации

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображе­ние фазового состава сплава в равновесном состоянии в зависимос­ти от температуры и концентрации. Под сплавом понимают вещество, полученное сплавлением двух и более химических элементов. Сплав, состоящий преимущественно из металлических элементов и обладаю­щий металлическими свойствами, называют металлическим сплавом. Химические элементы, образующие сплав, на­зываются компонентами.

Фазой называют однородную часть системы, имеющую одина­ковый состав, кристаллическое строение и свойства, одно и то же агрегатное состояние и отделенную от остальных частей поверх­ностью раздела, при переходе через которую вышеуказанные свойст­ва изменяются скачкообразно.

Совокупность фаз, находящихся в равновесии, называют системой.

В сплавах, в зависимости от физико-химического взаимодействия компонентов, могут образовываться следующие фазы: жидкие растворы (далее не рассматриваются), твердые растворы, химические соеди­нения, механическая смесь нескольких фаз.

Твердыми растворами называют фазы, в ко­торых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы другого (или других) компонента располагаются в решетке первого компонента, изменяя ее размеры (период). Твердые растворы подразделяются на твердые растворы замещения и внедрения.

Твердый раствор замещения образуется путем замены атомов основного элемента (растворителя) атомами другого компо­нента (растворяемого). Эти растворы могут быть: с неограниченной растворимостью, когда компоненты обладают полной растворимостью друг в друге, и с ограниченной растворимостью, когда компоненты только частично растворяются друг в друге. Условия существования неограниченной растворимости: близкие температуры плавления компонентов, близкие размеры атомов, одинаковый тип решеток.

Твердые растворы внедрения образуются путем внедре­ния атомов растворенного элемента в кристаллическую решетку растворителя и размещения их между атомами растворителя. Эти рас­творы могут иметь только ограниченную растворимость компонентов. Причем количество растворенного вещества зависит от температуры; с понижением температуры растворимость уменьшается, что приводит к выделению вторичных фаз из твердых растворов.

Если два или несколько компонентов вступают в химическую ре­акцию, то образующееся вещество называется химическим соединением. Химическое соединение имеет свою собственную кристаллическую решетку, отличную от решеток компонентов, собственные связи и обладает собственными новыми свойствами. Между компонентами в химическом соединении сохраняется строгое стехиометрическое соотношение, которое можно записать химической формулой, и поэтому химической соединение является фазой постоянного состава.

Механические смеси могут состоять из чис­тых компонентов, твердых растворов, химических соединений и т. д. Различают простую, эвтектическую и эвтектоидную механические смеси.

Процессы, протекающие в металлах и сплавах при фазовых превращениях, подчиняются пра­вилу фаз:

С = К + 1 - Ф,

где С – число степеней свободы, т. е. количество независимых переменных (например, концентрация компонентов, температура и давление), изменение которых не приводит к изменению состояния равновесия системы, т. е. к изменению числа фаз, находящихся в равновесии;

К – число компонентов, образующих систему;

Ф – число фаз, находящихся в равновесии;

1 – число внешних факторов (темпера­тура).

Типы диаграмм состояния. Диаграмму состояния строят в координатах «температура – кон­центрация». Таким образом, каждая точка диаграммы отвечает опре­деленному составу сплава при определенной температуре в условиях равновесия. Тип диаграммы состояния зависит от характера взаимо­действия компонентов, т. е. от того, какие фазы в твердом сос­тоянии образуют компоненты друг с другом.

Диаграмма состояния сплавов, образующих неограниченные твер­дые растворы. Два компонента А и В с температурами плавления соответс­твенно Т_А и Т_В в жидком и твердом состоянии полностью растворя­ются друг в друге.

Линию Т_АаТ_В, (рис. 5.1 а) называют линией ликвидус. Линия ликвидус – это геометрическое место точек (температур) начала кристаллизации сплавов. Выше линии ликвидус сплавы нахо­дятся в жидком состоянии (Ж).

Линию Т_АвТ_В называют линией солидус. Линия солидус – это геометрическое место точек (температур) конца кристаллизации сплавов. Ниже линии солидус все сплавы находятся в твердом состоянии (α-твердый раствор). Между линиями ликвидус и солидус сплавы состоят из двух фаз: жидкой и твердой.

Для определения количества жидкой и твердой фаз и их хими­ческого состава (концентрации) при любой температуре, лежащей между линиями ликвидус и солидус, используют правило отрезков.

Рисунок 5.1 – Диаграмма состояния сплавов, образующих неограниченные твердые растворы (а) и кривые охлаждения (б)

Пусть требуется определить объемное содержание и химический состав (концентрацию) жидкой и твердой фазы в точке о (при тем­пературе Т_о и концентрации сплава II) (рис. 5.1 а). С этой целью через точку о проводят горизонтальную линию, параллельную оси концентрации, называемую конодой, до пересечения с линиями ликвидус и солидус (линия аов). Точка пересечения коноды с линией ликвидус (точка а), спроецированная на ось концентрации, покажет химический состав жидкой фазы (n_ж) при температуре Т_о (рис. 5.1. а). Точка пересечения коноды с линией солидус (точка в), спроецированная на ось концентрации, покажет химический состав твердой фазы (n_α) при той же температуре.

Для определения количества жидкой или твердой фаз при температуре Т_о (рис. 5.1 а) нужно взять отношение длины отрезков, расположенных противоположно составу фаз, к длине всей коноды. В нашем случае объемное содержание жидкой (V_ж) и твердой (V_α) фаз в сплаве будет равно соответственно:

,

.

Рассмотрим кривые охлаждения чистых компонентов и сплавов (рис. 5.1 б). Температура охлаждаемого чистого компонента равномерно понижается (С=1+1-1=1) (моновариантная система) до температуры Т_А, при которой компонент А переходит в твердое состояние. Процесс кристаллизации компонента А происходит при постоянной температуре (горизонтальное плато на кривой охлаждения) (рис. 5.1 б, кривая 1), т. к. согласно правилу фаз, две фазы – твердая и жидкая – могут находиться в равновесном состоянии только при строго постоянной температуре (С=1+1-2=0) (нонвариантное состояние). После кристаллизации компонента А температура снова будет равномерно понижаться. Аналогично может быть рассмотрена кристаллизация компонента В (рис. 5.1 б, кривая III).

При охлаждении сплава II кристаллизация с образованием α-твердого раствора начинается при температуре Т₁ (рис. 5.1 б) и заканчивается при температуре Т₂, т. е. кристаллизация сплава протекает в интервале температур Т₁ - Т₂. На кривой охлаждения отмечается перегиб. Согласно правилу фаз, число степеней свободы С=1 (С=2+1-2=1). При дальнейшем снижении температуры происходит охлаждение только α-твердого раствора.

Аналогично кристаллизиру­ются и другие сплавы этой системы.

Диаграмма состояния сплавов, образующих механические смеси из чистых компонентов. Два компонента А и В с температурами плавления соответс­твенно Т_А и Т_В в жидком состоянии неограниченно растворимы, а в твердом состоянии нерастворимы друг в друге.

Линия Т_АСТ_В является линией ликвидус, линия Т_ЭСD – ли­нией солидус или эвтектической горизонталью (рис. 5.2 а). При охлаждении сплава при температурах, соответствующих линии Т_АС, начинают выделяться кристаллы компонента А, а при температурах, соответствующих линии СТ_В, кристаллы компонента В. При температуре Тэ, соответствующей линии Т_ЭСD, из жидкости концентрации точки С одновременно выделяются кристаллы А и В. Образующаяся механическая смесь называется эвтектикой. Эвтектическое превращение – это превращение, при котором жидкость определенного состава при постоянной температуре кристаллизуется одновременно в смесь двух твердых фаз.

Рисунок 5.2 – Диаграмма состояния сплавов, образующих механические смеси из чистых компонентов (а) и кривые охлаждения (б)

Сплав I называется эвтектическим. Кривая охлаждения эвтектического сплава показана на рис. 5.2 б, кривая I. При температуре Т_Э кривая переходит в горизонтальное плато, свидетельствующее о том, что кристаллиза­ция эвтектики происходит при постоянной температуре (C=2+1-3=0).

Сплавы, расположенные слева от эвтектического сплава, назы­ваются доэвтектическими; расположенные справа – заэвтектическими.

Кривая охлаждения заэвтектического сплава II по­казана на рис. 5.2 б, кривая II.

Для определения количества жидкой и твердой фаз и их химического состава (концентрации) при температурах, лежащих между линиями ликвидус и солидус, используют вышерассмотренное правило отрезков. Отличие заключается лишь в том, что коноду проводят от линии ликвидус до пересечения с одной из осей концентрации (рис. 5.2 а). Это свидетельствует о том, что твердая фаза кристаллизу­ется в доэвтектических сплавах в виде чистого компонента А, а в заэвтектических сплавах в виде чистого компонента В (рис. 5.2 а).

Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состоянии. Два компонента А и В с температурами плавления Т_А и Т_В неограниченно растворимы в жидком состоянии и ограниченно в твердом. Твердый раствор атомов компонента В в кристаллической решетке компонента А называется α-раствором; твердый раствор А в В называется β-раствором. В зависимости от того, какая реакция протекает в условиях существования трех фаз (ж, α, β), в нонвариантном состоянии могут быть два вида диаграмм: с эвтектикой и перитектикой.

Диаграмма с эвтектикой. Линия Т_АС Т_В является линией ликвидус; линия Т_АDE Т_В – ли­нией солидус (рис. 5.3 а). При концентрациях компонентов, соответствующих отрезку DE, сплавы испытывают эвтектическое превращение при температуре Тэ, (рис. 5.3 б, кривая I).

Рисунок 5.3 – Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состоянии (с эвтектикой) (а) и кривые охлаждения (б)

При охлаждении сплава II выделение твердого α-раствора начинается при температуре Т₁ (рис. 5.3 а). При температуре Т₂ кристаллизация заканчивается. Полученные кристаллы α-раство­ра не претерпевают изменения до температуры Т₃. Ниже этой темпе­ратуры твердый α-раствор является пересыщенным и выделяет избы­точные кристаллы β-твердого раствора (рис. 5.3 а). Кривая ох­лаждения этого сплава представлена на рис. 5.3 б, кривая II.

Кристаллы β, выделившиеся из α-твердого раствора в результате ограничения растворимости в нем компонента В, называются вторичными кристаллами и обозначаются (β_II), в отличие от первичных кристаллов β-твердого раствора, выделяющихся из жидкости.

Для определения количества жидкой и твердой фаз и их хими­ческого состава при температурах, лежащих между линиями ликвидус и солидус, используют вышерассмотренное правило отрезков (рис. 5.3 а).

Диаграмма с перитектикой. При перитектическом превращении жидкость реагирует с ранее выпавшими кристаллами и образует новый вид кристаллов.

Линия Т_АСТ_В является линией ликвидус; линия Т_АEDТ_В – лини­ей солидус (рис. 5.4 а), При концентрации компонентов в пределах отрезка СD сплавы испытывают перитектическое превращение при постоянной температуре Т_П. Кривые охлаждения сплавов с перитекти­ческим превращением представлены на рис. 5.4 б.

Рисунок 5.4 – Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состоянии (с перитектикой) (а) и кривые охлаждения (б)

Объемное содержание жидкой и твердой фаз и их химический состав определяются так же, как и в предыдущих случаях.

Диаграмма состояния сплавов, образующих устойчивое химичес­кое соединение. Химическое сое­динение характеризуется определенным соотношением компонентов (A_nB_m). Это отражается на диаграмме вертикальной линией, проходящей через точку на оси абсцисс, отвечающую соотношению компонентов в химическом соединении (рис. 5.5). Твердыми фазами такой системы являются компоненты А, В и химическое соединение A_nB_m с темпера­турой плавления L. Линия Т_АE₁LE₂Т_В является линией ликвидус; линия СDFK – линией солидус. На диаграмме имеются две эвтектические точки E₁ и E₂ (рис. 5.5).

Так как химическое соединение плавится при постоянной темпе­ратуре, его можно рассматривать как однокомпонентную систему. В этом случае диаграмму, представленную на рисунке 5.5, можно рассмат­ривать как две диаграммы состояния сплавов, образующих механи­ческую смесь кристаллов чистых компонентов, приставленные друг к другу. Отличие состоит лишь в том, что кроме выделения кристаллов чистых компонентов A и В, происходит еще образование кристаллов химического соединения A_nB_m. Построение кривых охлаждения, а также расчет объемного содержа­ния жидкой и твердой фаз и их химического состава проводят так же, как для диаграмм состояния сплавов, образующих механическую смесь крис­таллов чистых компонентов.

Рисунок 5.5 – Диаграмма состояния сплавов, образующих устойчивое химическое соединение