Понятие о диаграммах состояния

Основными конструкционными материалами являются металлические сплавы - вещества, полученные сплавлением двух или более элементов (компонентов).

К основным понятиям в теории сплавов относятся: система, ком­понент, фаза.

Система -группа тел, выделяемых для наблюдения и изу­чения. В металловедении системами являются металлы и металличес­кие сплавы. Чистый металл является простой (однокомпонентной) системой.

Компонентами называют вещества, образующие сис­тему (сплав).

В металлических сплавах компонентами могут быть элементы (металлы и неметаллы) и химические соединения (не дис­социирующие при нагревании).

Фазой называется однородная часть системы, отделенная от другой части системы (фазы) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура вещества изменяется скачком.

Следовательно, однородная жидкость является однофазной сис­темой, а механическая смесь двух видов кристаллов - двухфазной, т.к. каждый кристалл отличается от другого по составу или по строению и они отделены один от другого поверхностью раздела.

В твердых сплавах фазами могут быть зерна чистого металла, зерна твердого раствора или зерна химического соединения.

Механическая смесь двух компонентов А и В образуется тогда, когда они не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с обра­зованием соединения. При этих условиях сплав будет состоять из кристаллов А и В, отчетливо выявляемых на микроструктуре. Рентгенограмма сплава покажет наличие двух решеток компонентов А и В.

Твердыми растворами называют такие твердые фазы, в которых соотношения между компонентами могут изменяться. Рентгеновский анализ обнаруживает в твердом растворе, как и у чистого металла, только один тип решетки. Следовательно, в от­личие от механической смеси твердый раствор является однофазным, состоит из одного вида кристаллов, имеет одну кристаллическую решетку; в отличие от химического соединения твердый раствор существует не при определенном соотношении компонентов, а в ин­тервале концентраций.

В твердом растворе одно из входящих в состав сплава веществ сохраняет присущую ему кристаллическую решетку, а второе вещест­во, утратив свое кристаллическое строение, в виде отдельных ато­мов распределяется в кристаллической решетке первого. Первое ве­щество является растворителем, второе - растворимым.

В зависимости от характера распределения атомов растворимого элемента различают твердые растворы внедрения, замещения и вычитания. Независимо от типа твердого раствора общим для них является то, что они однофазны и существуют в интервале концент­раций. Для твердых растворов характерен металлический тип свя­зи.

В твердых растворах внедрения атомы растворимого эле­мента распределяются в кристаллической решетке металла-раство­рителя, занимая места между его атомами.

В твердых растворах замещения атомы растворимого элемента занимают места атомов основного металла. Посторонние атомы могут замещать атомы растворителя в любых местах, поэтому такие растворы называют неупорядоченными твер­дыми растворами. Твердые растворы замещения могут быть ограниченны­ми и неограниченными. Одно из условий неограни­ченной растворимости - размерный фактор: чем больше различие в атомных радиусах, тем меньше растворимость. Неограниченная растворимость компонентов присуща системам, в которых атомные радиусы элементов различаются не более чем на 8-15 %. С понижением температуры в твердых растворах замещения может произойти процесс перераспределения атомов, в результате которого атомы растворенного элемента займут строго определенные места в решетке растворителя. Такие твердые растворы называют упорядоченными твердыми растворами, а их структуру - сверхструктурой. Температуру перехода неупорядоченного состояния в упорядо­ченное называют точкой Курнакова.

Твердые растворы вычитания образуются на основе некоторых химических соединений, когда к химическому соединению добавляется один из входящих в его формулу элементов. Атомы этого элемента занимают нормальное положение в решетке соедине­ния, а места, где должны были бы находиться атомы второго ком­понента, оказываются незаполненными, пустыми (поэтому эти раст­воры иногда называют растворами с дефектной решеткой).

Образование любого типа твердых растворов сопровождается из­менением параметров решетки и металла-растворителя. Это важный момент, определяющий изменение свойств твердого раствора.

Химическое соединение чаще всего образуется между элемента­ми, расположенными далеко друг от друга в таблице Л.И.Менделе­ева, т.е. существенно различающимися по строению и свойствам, если сила взаимодействия между разнородными атомами больше, чем между атомами однородными.

Химические соединения имеют ряд особенностей, отличающих их от твердых растворов:

а) соотношение чисел атомов элементов, образующих соединение,
строго определенное, соответствующее стехиометрической пропорции, выраженной формулой вида АnВm;

б) они имеют свою кристаллическую решетку, отличную от решеток элементов, образовавших это соединение, с правильным упоря­доченным расположением атомов компонентов в кристаллической решетке;

в) свойства соединения заметно отличаются от свойств исходных элементов;

г) как и чистые металлы, они имеют постоянную температуру
плавления (диссоциации). Как правило, химические соединения обладают большой твердостью и очень хрупки.

Диаграмма состояния - это графическое изоб­ражение состояния любого сплава изучаемой системы в зависимости от его концентрации и температуры.

Диаграммы состояния показывают равновесные, стойкие состо­яния т.е. такие, которые при данных условиях обладают минималь­ной свободной энергией. Они имеют большое теоретическое и прак­тическое значение, т.к. изучение любого сплава начинается с построения и анализа диаграммы состояния с целью изучения фаз и структурных составляющих сплава.

С помощью диаграммы состояния можно установить возможность проведения термической обработки и ее режимы, температуры литья, горячей пластической деформации и т.д.

В любой системе число фаз, находящихся в равновесии, зависит от внутренних и внешних условий, закономерности всех изменений, происходящих в системе, подчиняют систему закону равновесия, ко­торый называется правилом фаз или законом Гиббса, который выра­жает зависимость между числом степеней свободы С (вариантностью) системы, числом компонентов К и числом фаз системы Ф, находя­щихся в равновесии.

Правило фаз записывают в виде: С = К - Ф + 1 (при постоянном атмосферном давлении).

Под числом степеней свободы (вариантностью) системы понимают число внешних и внутренних факторов (температура, давление и концентрация), которое можно изменять без изменения числа фаз в системе.

Построение диаграммы состояния осуществляют различными экспе­риментальными методами. Чаще всего используют метод термического анализа, сущность которого заключается в отборе нескольких сплавов данной системы с различным соотношением масс входящих в них компонентов. Сплавы помещают в огнеупорные тигли и нагревают в печи. После расплавления сплавов тигли со сплавами медленно охлаждают и фиксируют скорость охлаждения. По полученным данным строят кривые охлаждения в координатах время - температура. В результате измерений получают серию кривых охлаждения, на которых при температурах фазовых превращений наблюдаются точки перегиба и температурные остановки.

Температуры, соответствующие фазовым превращениям, называют­ся критическими точками.

Точки, отвечающие началу кристаллизации, называют течками ликвидус (жидкий), а конца кристаллизации точками солидус (твердый).

По полученным кривым охлаждения (критическим точкам) для раз­личных сплавов изучаемой системы строят диаграмму состояния в координатах: по оси абсцисс - концентрация компонентов, по оси ординат - температура.

Рассмотрим диаграмму состояния для сплавов, образующих механические смеси из чистых компонентов (I рода). В этом случае оба компонента в жидком состоянии неограничен­но растворимы, а в твердом состоянии нерастворимы и не образуют химических соединений. Пусть такими компонентами будут два элемента А и В, об­разующие данную систему.

Кривые охлаждения для сплавов этого типа, построенные в коор­динатах температура — время, имеют вид, показанный на рисунке 1.

На кривой охлаждения каждого сплава температура, соответ­ствующая t_l, отвечает началу затвердевания сплава и называется температурой ликвидус, температура t_s соответствует концу затвердевания сплава и носит название температуры солидус. Пусть изготовлена серия сплавов из металла А и металла В и сплавы эти имеют следующий состав:

 

сплав	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI
% А
% В

 

 

б) в)