Лекция 4

ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ

1. Понятие о диаграмме состояния (ДС).

2. Принцип построения ДС.

3. ДС для сплавов, образующих механические смеси (1 тип).

4. Анализ ДС двойных сплавов. Правило фаз. Правило отрезков.

5. ДС для сплавов П типа (с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии).

6. ДС для сплавов Ш типа (с ограниченной растворимостью в твердом состоянии).

7. Связь между свойствами сплава и типом ДС. Правило Курнакова.

Диаграмма состояния – это графическое изображение изменения фазового состава сплава в зависимости от температуры и концентрации. Строят их для условий, близких к равновесным. Давление принимается постоянное: Р=1АТМ=0,1Мпа (СИ).

Диаграммы позволяют судить об устойчивых состояниях сплавов, т.е. при условии минимальной свободной энергии Z.

Однако чаще всего сплавы находятся в метастабильном состоянии, т.е. обладают ограниченной устойчивостью. Под влиянием внешних факторов они переходят в более устойчивые состояния, т.к. их свободная энергия больше минимальной.

Метастабильные состояния сообщают сплавам высокие механические свойства, обеспечивают оптимальный комплекс свойств. Чтобы установить природу метастабильных состояний и разработать режимы термической или какой-либо другой обработки, позволяющей получить эти неравновесные состояния, необходимо знание диаграмм фазового равновесия.

Если в системе 2 компонента, диаграмму состояния строят в 2-х измерениях (температура-концентрация). По оси ординат откладывают температуру, по оси абсцисс – концентрацию.

Общее содержание компонентов в сплаве равно 100% и любая точка на оси абсцисс соответствует определенному содержанию каждого компонента. В т. С 40% В и 60%А, в т. Д – 60%В и 40%А. По мере удаления от т. А увеличивается количество компонента В и в т. В его будет 100%. Таким образом, крайние точки соответствуют чистым компонентам, а между ними – двойным сплавам.

Для сплавов, состоящих из 3-х и более компонентов, строят пространственные диаграммы (например, для 3-х компонентной – 2 оси концентрационные и одна температурная).

Каждая точка на ДС показывает состояние сплава данной концентрации при данной температуре. Каждая вертикаль – изменение температуры определенного сплава. Вид ДС зависит от типа взаимодействияч компонентов (раствор, химические соединения и т.д.).

ДС строят на основе экспериментальных данных. Сначала на основе термического анализа получают кривые охлаждения и по остановкам и перегибам, вызванным тепловым эффектом превращений, определяют температуру превращения.

2.Принцип построения диаграммы состояния.

Рассмотрим построение ДС на примере сплава из 2-х взаимнонерастворимых в твердом состоянии компонентов, химически не взаимодействующих, но неограниченно растворимых в жидком состоянии. Таким примером может служить система Pb-Sb. Строим кривые охлаждения для ряда сплавов:

Кривая а) относится к чистому Рв. Выше 327⁰С Рв находится в жидком состоянии. При постоянной температуре (327⁰С) происходит кристаллизация Pb и ниже 327⁰С он находится в кристаллическом состоянии, т.е. отрезок 0-1 соответствует охлаждению жидкости, 11′ - кристаллизации, 1′-2 – охлаждению твердого свинца. Кривая б) относится к сплаву с содержанием 95% Pb и 5% Sb. Кристаллизация начинается при температуре ниже 327⁰С (300⁰С) и протекает при переменной температуре (от т.1 до 2), а затем оставшаяся жидкость кристаллизуетсяпри постоянной температуре (2-2′) 246⁰С.

Так как на участке 1-2 кривой кристаллизации из жидкости непрерывно выделяется Рв, жидкость обогащается сурьмой (от 5% до 13% в т.2). Точка 1, соответствующая началу кристаллизации, называется точкой ликвидус, т.2′ - отвечающая концу кристаллизации – точкой солидус.

Кристаллизация следующего сплава (в) будет поисходить так же, как и у предыдущего, но начнется при более низкой температуре 260⁰С. Совместная кристаллизация Pb и Sb у этого сплава начнется при той же температуре (246⁰С), что и у предыдущего (2-2′) и концентрация жидкости к началу совместной кристаллизации будет такая же (13% Sb и 87%Pb).

Если взять сплав, соответствующий этому соотношению (13% Sb и 87%Pb), то у него из жидкости при постоянной температуре 246⁰С одновременно выделяются оба вида кристаллов без предварительной кристаллизации Рв (г).

При содержании в сплаве Sb более 13%, предварительно будет выделяться Sb (д) и сплав по мере ее выделения обогатится свинцом. Когда он в процессе кристаллизации охладится до 246⁰С, жидкость будет содержать снова 13% Sb и начнется совместная кристаллизация обоих компонентов при постоянной температуре.

Для рассмотренных 4-х сплавов, а также для чистых компонентов температуры начала и конца кристаллизации будут находиться в таких пределах (⁰С):

Состав	Температура начала кристаллизации, 0С	Температура конца кристаллизации, 0С
100% Pb	327	327
Сплав 95%Pb и 5%Sb	300	246
90%Pb 10%Sb	260	246
87%Pb и 13Sb	246	246
75%Pb 25%Sb	340	246
100%Sb	630,5	630,5

Для построения ДС необходимо по оси ординат откладывать полученные температуры, а по оси абсцисс – концентрации. Полученные точки ликвидус соединить одной линией, а точки солидус – другой.

Геометрическое место точек ликвидус образует линию ликвидус (liquidus - жидкость), а геометрическое место точек солидус – линию солидус.

Очевидно, что выше линии ликвидус (АВС) сплав находится в жидком состонии, а ниже линии солидус (ДВЕ) – в твердом. У сплавов, содержащих менее 13% Sb, сначала выделится Рв. Следовательно, в области между линией ликвидус и солидус имеем жидкую фазу + кристаллы Рв. Аналогично у сплавов с содержанием Sb более 13% между линиями ликвидус и солидус имеем жидкость + кристаллы Sb.

Таким образом, диаграмма показывает состояние сплава данной системы при любом соотношении компонентов и любой температуре.

Во всех случаях построения диаграммы состояния предполагается, что в жидком состоянии растворимость компонентов неограниченная, т.е. жидкая фаза однородна (далее будет обозначаться L) при любом соотношении компонентов. [Сплавы с ограниченной растворимостью в жидком состоянии в технике применяюятся мало].