5.2 Понятие диаграммы состояния сплава

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния сплава в зависимости от его температуры, давления и химического состава. Под состоянием понимается фазовый состав сплава, т.е. число и тип составляющих его фаз. Обычно давление считают постоянным, поэтому диаграмма принимает вид зависимости состояния сплава от температуры и концентрации компонентов.

По оси Y откладывают температуру в С, а по оси X концентрацию компонентов. Крайняя левая точка на этой оси соответствует чистому компоненту А, а крайняя правая - чистому компоненту В. Средняя точка соответствует сплаву с содержанием 50% А и 50% В и т.д. Как правило, на диаграмме указывают процентное содержание только одного из компонентов, обычно В. Концентрацию компонента А определяют по формуле: %А = 100% - %В.

Каждая точка диаграммы состояния отражает фазовый состав сплава определенной концентрации, находящегося при определенной температуре. Так точка а отражает состояние сплава с концентрацией компонентов К₁, находящегося при температуре Т₁. Необходимо отметить, что все состояния сплава, отражаемые диаграммой, являются устойчивыми, равновесными, обладающими при данных условиях минимальной свободной энергией. По этой причине диаграммы состояния иногда называют равновесными диаграммами или диаграммами фазового равновесия.

Если сплав двухкомпонентный, то его диаграмма состояния является плоской. Если сплав трёх- и более компонентный, его диаграмма имеет более сложный пространственный характер. В этом случае приводят ряд двухмерных срезов такой диаграммы.

С помощью диаграмм состояния можно определять температуры плавления, кристаллизации и полиморфных превращений у различных сплавов, а так же тип, количество и химический состав фаз в конкретных сплавах при любой температуре.

Диаграммы состояния обычно строят экспериментально, используя так называемый термический метод. В этом методе сплавы различных составов (чем больше, тем точнее) нагревают в печи до расплавленного состояния, а затем охлаждают на воздухе, измеряя через равные промежутки времени их температуру. Температуру сплавов обычно измеряют с помощью термопары. В результате получают так называемые кривые охлаждения, то есть графики зависимости температуры сплава от времени. По остановкам и перегибам на этих кривых, вызванных тепловыми эффектами превращений, определяют температуры фазовых превращений в сплавах. Параллельно методом рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии изучают микроструктуру сплавов в различных температурных интервалах. Полученные данные используют для построения диаграмм состояния.

ПРИМЕРЫ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ

ДВУХКОМПОНЕНТНЫХ СПЛАВОВ

5.3 Диаграмма состояния для сплавов с неограниченной

растворимостью компонентов в твёрдом состоянии.

Рассмотрим сплавы, компоненты которых неограниченно растворяются друг в друге и в жидком и в твердом состоянии. Например, Cu-Ni, Au-Ag и т.п. Таким сплавам соответствует следующий тип диаграмм состояния:

Здесь буквой Ж обозначена жидкая фаза, а буквой  - неограниченный твердый раствор А в В или В в А, что в данном случае одно и тоже (= А(В)  В(А)). Линию L называют линией ликвидус. Она отражает температуры начала процесса кристаллизации. Выше этой линии сплав любого состава находится только в жидком состоянии. Линия S является линией солидус. Эта линия отражает температуры завершения процесса кристаллизации. Ниже её все сплавы находятся только в твёрдом состоянии. Точка А соответствует температуре кристаллизации (плавления) чистого компонента А, а точка В - температуре кристаллизации (плавления) чистого компонента В. Между линиями ликвидус и солидус все сплавы находятся в двухфазном состоянии (Ж + ). Как видно из диаграммы, сплавы любой концентрации, в отличие от чистых компонентов, кристаллизуются в некотором интервале температур.

Рассмотрим процесс затвердевания сплава произвольной концентрации К₁. Выше точки 1 этот сплав находится в жидком однофазном состоянии. При температуре, соответствующей точке 1, в жидком расплаве появляются зародыши кристаллов твердой -фазы. По мере уменьшения температуры от точки 1 до точки 2 доля кристаллов -фазы нарастает, а количество жидкой фазы уменьшается. В точке 2 процесс кристаллизации полностью завершается и ниже этой точки, вплоть до комнатной температуры, сплав состоит только из зёрен твердой -фазы.

Кривая охлаждения для данного сплава выглядит следующим образом:

Как видно из графика, на участке 1-2, который соответствует процессу кристаллизации, скорость охлаждения сплава уменьшается. Это обусловлено выделением скрытой теплоты кристаллизации при переходе сплава из жидкого состояния в твёрдое.

После завершения процесса кристаллизации скорость охлаждения сплава восстанавливается.

В процессе кристаллизации изменяется не только количество жидкой и твёрдой фаз, но и химический состав этих фаз. Определить относительное количество и химический состав обеих фаз при любой температуре в интервале кристаллизации можно с помощью правила отрезков.