Побудова діаграми стану.

Діаграма стану являє собою графічне зображення залежності температур часткових перетворень у сплавах від їхньої сполуки. Метою вивчення діаграм стану є:

1. Навчитися по наявній діаграмі стану подумки представляти механіз- ми процесів фазових перетворень при зміні температури сплавів;

2. Установлення характеру рівноважних фаз і структури в сплавах при різних температурах;

3. Грунтуючись на знаннях факторів, що впливають на процеси криста -лізації, навчитися передбачати, які зміни в будові сплавів можуть мати місце при нерівноважних умовах кристалізації й охолодження;

4. Навчитися розуміти, чим обумовлені найважливіші механічні й тех- нологічні властивості сплавів у відповідному фазовому й структурному стані.

Методику побудови діаграми стану розберемо на прикладі побудови діаграми стану системи Cu-Ni, компоненти якої необмежено розчиняються один в одному як у рідкому так і у твердому стані. Будуємо систему координат. На осі ординат відзначається зміни температури, на осі абсцисі - зміни сполуки сплавів. При цьому лівий і правий кінці цієї осі відповідають чистим компонентам Cu і Ni. Будь-яка крапка між Cu і Ni на осі абсцис відбиває сталь певного складу.

Для встановлення температур фазових перетворень сплавів необхідно:

1. Розплавити сплави й провести повільне охолодження, фіксуючи залежність зниження температури від часу охолодження.

2. Побудувати криві охолодження кожного сплаву.

Температури початку й кінця фазових перетворень є критичними температу -рами.

Крива 1, 1^', 1^", 1^'", 2, що характеризує температури, вище яких сплави перебувають у рідкому стані, називається лінією ліквідусу.

Крива 12'2''2"'2, що відповідає температурам, нижче яких сплави перебувають у твердому стані, називається лінією солідуса.

По діаграмі стану можна встановити, чи є кристалічна фаза, що утвориться тв. розчином, хімічною сполукою або чистим компонентом. Для цього потрібно навчитися по діаграмі стану визначати склад фаз.

Розглянемо сплав складу m' у точці к при температурі Т₂. Міркуючи логічно можна сказати, що при температурі Т₂ є рідина складу m' і кристали того ж складу m'. Виникає питання: у чому ж розходження між кристалами й рідиною - температура та сама, склад той самий, стало бути, ніяких розходжень між рідиною й кристалами немає. Потрібно вирішити протиріччя, шукати в чому розходження в цих фаз при даній температурі.

Закон термодинаміки показує, що стійким є такий стан, термодинамічний потенціал якого мінімальний. Оскільки в сплавів m' при температурі Т₂ існує дві фази – кристали й рідина, то стійкими будуть фази, які мають мінімальне значення термодинамічних потенціалів.

На мал. наведене значення термодинамічних потенціалів твердої Gт і рідкої Gж фаз залежно від складу або температури Т₂. Із графіка видно, що має місце Gmin при складі q' і Gmin при складі р'. Це значить, що Т₂ у точці к стійкіше, буде тверда фаза складу р' і рідка фаза складу q'. Логічно вивести важливе правило для визначення рівноважного складу фаз у двох важливих областях діаграми стану в заданій точці, що називається фігуративною, необхідно, через цю точку провести горизонтальну лінію до перетинання з лініями ліквідуса й солідуса діаграми стану.

Проекція точки перетинання ізотерми з лінією ліквідус на концентраційну вісь визначає склад рідкої фази. Проекція точки перетинання ізотерми з лінією солідус на концентраційні осі визначає склад твердої фази.

Незважаючи на те що склад фаз кристалізації безупинно змінюється, при рівноважній кристалізації дифузійні процеси встигають вирівняти склад фаз, привівши їх у відповідність із діаграмою стану.

Визначення об'єму фаз. Нехай потрібно визначити кількість рідкої фази Ж и твердої фази α при температурі точки к сплаву складу m'. Якщо прийняти загальну кількість сплаву за одиницю, а кількість твердої фази позначити Х, то кількість рідкої фази буде (1-Х). У сплаві є m% компонента В, що при температурі точки к розподіляється між рідкою й твердою фазами.

Кількість компонента В у рідкій фазі відповідає відрізку Аq', а кількість У в твердій фазі відрізку Ар'.

1. Складемо рівняння щодо компонента В, кількість якого в сплаві визначається відрізком Аm'. Його кількість у твердій фазі х∙ Ар', а в рідкій фазі (1-х)Аq'. Очевидно, що

х ∙Ар'-1 (1-х) Аq'=Аm'

х∙ (Ар'-Аq')=Аm'-Аq'

по Ар'-Аq' = р'q' = рq; х = α =кq/рq, тоді 1-х = кр/qр

Для визначення масової або об'ємної кількості фази в заданій точці двофазної області потрібно провести через цю точку ізотерму й розділити довжину відрізка ізотерми, протилежного складу даної фази, на загальну довжину ізотерми, або для визначення масової кількості твердої фази необхідно обчислити відношення довжини відрізка, що примикає до складу рідкої фази, до довжини всієї каноди; для визначення кількості рідкої фази відношення довжини відрізка, що примикає до складу твердої фази, до довжини каноди.

Кристали твердого розчину, що виділяються, мають змінний склад, що залежить від температури. Однак при повільному охолодженні процеси дифракції в рідкій і твердій фазах (об'ємна дифузія) устигають за процесом кристалізації, тому сполука кристалів вирівнюється.