Основные теоретические положения

В современной промышленности в качестве конструкционных материалов обычно используются сплавы, т.к. по сравнению с чистыми металлами они обладают лучшим комплексом механических свойств.

Металлический сплав представляет собой сложное по химическому составу вещество, которое получается в большинстве случаев путем сплавления двух или более химических элементов, причем хотя бы один из этих элементов должен быть металлом.

Элементы, входящие в состав сплава, называются компонентами. Сплавы, состоящие из двух компонентов, именуются бинарными или двойными, из трех – тройными и т.д.

Химический состав сплава определяется отношением весового количества каждого из компонентов к весу всего сплава, выраженному в процентах. В жидком состоянии технические сплавы представляют собой жидкие растворы.

В процессе кристаллизации компоненты сплава, в зависимости от их природы и количества, могут образовывать механические смеси, химические соединения или твердые растворы.

Однородная часть системы (сплава), отделенная от других ее частей поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура вещества изменяется скачком, называется фазой.

Изменение фазового состава чистых металлов или сплавов протекает при строго определенных температурах, которые получили название критических точек. Следует подчеркнуть, что изменение фазового состава наблюдается не только при переходе сплава от одного агрегатного состояния в другое (например, в процессе кристаллизации или плавления металла), но и при аллотропических превращениях, равно как и при изменении предела растворимости компонентов в процессе охлаждения или нагрева сплавов в твердом состоянии.

Состояние сплавов одной системы в зависимости помощью диаграммы состояния или диаграммы плавкости.

Необходимо отметить, что диаграммы плавкости отражают состояние сплавов. в котором они обладают минимальной свободной энергией. Это устойчивое (равновесное) состояние сплавы приобретают в результате очень медленного охлаждения. Таким образом, диаграммы состояния характеризуют равновесные превращения в сплавах и поэтому иногда называются также диаграммами равновесия. Фазы, обладающие минимальной свободной энергией, являются фазами равновесными.

Все диаграммы состояний сплавов строятся по экспериментальным данным, полученным путем определения (в большинстве случаев методом термического анализа) критических точек чистых компонентов и нескольких сплавов различного химического состава. Известно, что изменение фазового состояния металлов и сплавов при их нагреве и охлаждении сопровождается тепловым эффектом, т.е. поглощением или выделением тепла. Путем регистрации этих тепловых эффектов и удается зафиксировать температуру, при которой происходят превращения у чистых металлов и сплавов, т.е. определить их критические точки. В этом и заключается сущность термического анализа.

Схема установки для термического анализа показана на рис.1.

Рис.1. Схема установки для термического анализа

1 – тигель, 2 – расплав, 3 – термопара, 4 – потенциометр

Исследуемый сплав в огнеупорном тигле помещают в печь и расплавляют. Затем тигель вынимают из печи и медленно охлаждают. В процессе охлаждения измеряется температура сплава через строго определенные промежутки времени. На основании полученных данных строят кривую охлаждения сплава в координатах "температура – время".

Как уже отмечалось, изменение фазового состава сплава сопровождается тепловым эффектом (при охлаждении – выделением, а при нагревании – поглощением тепла), поэтому на кривой охлаждения будут наблюдаться горизонтальные площадки или перегибы, которые соответствуют критическим температурам, или критическим точкам, где происходит изменение фазового состава металла. Регистрация изменения температуры сплава при его охлаждении может осуществляться также с помощью самопишущего потенциометра.

Допустим, что необходимо построить диаграмму состояния системы сплавов, состоящих из компонентов А и В. Для этого необходимо определить критические точки чистых компонентов и нескольких сплавов этой системы различного химического состава. Точность построения диаграммы повышается с увеличением количества исследуемых сплавов. В нашем случае возьмем пять сплавов с содержанием 10, 20, 40, 60 и 80% компонента В.

Рис.2. Диаграмма состояния сплавов А-В.

По данным термического анализа в координатах "температура – время" строим кривые охлаждения для каждого из принятых к исследованию сплавов и чистых компонентов (рис.2). По этим кривым определяем значение критических точек сплавов. Из рис.2 видно, что каждый чистый компонент сплава имеет одну критическую точку, которая соответствует горизонтальной площадке на кривой охлаждения. Однако все исследуемые сплавы, за исключением сплава с содержанием компонента В, равным 40%, имеют две критические точки: верхнюю, соответствующую перегибу кривой охлаждения, и нижнюю - при температуре, отвечающей горизонтальной площадке на этой кривой. Наличие двух критических точек показывает, что процесс кристаллизации сплавов протекает в интервале температур между первой и второй критическими точками, в отличие от чистых металлов, которые затвердевают при одной, постоянной температуре. Из рис.2 следует, что процесс кристаллизации сплавов рассматриваемой системы начинается при различных температурах, но заканчивается при одной и той же температуре.

После того, как установлены критические точки опытных сплавов, можно приступить к построению диаграммы состояния. При построении диаграммы в качестве оси абсцисс принимается горизонтальный отрезок произвольной длины, на одном конце которого располагается чистый компонент А, а на другом – чистый компонент В. Длина всего отрезка делится на 100 равных частей, поэтому одна сотая часть его соответствует содержанию в сплаве 1% каждого из компонентов. По оси ординат откладывается температура. На ординатах, отвечающих чистым компонентам А, В и принятым к исследованию сплавам, наносятся определенные при термическом анализе значения критических точек. Соединяя между собой критические точки, соответствующие началу, а затем и концу кристаллизации чистых металлов и сплавов, плавными линиями, получаем диаграмму, представленную на рис.3.