Термічний аналіз

Розділ фізико-хімічного аналізу, що вивчає залежність температури кристалізації (або плавлення) від складу системи, називається термічним аналізом, а одержана діаграма називається діаграмою кристалізації (або діаграмою плавкості), оскільки на осі ординат відкладають температуру кристалізації (плавлення) чистих металів та їх сумішей, а на осі абсцис – мас. % компонентів суміші.

Вивчаючи діаграму плавкості подвійної металічної системи, готують серію сумішей двох металів А і В з різним вмістом кожного з них. Склад сумішей змінюється від 100 % металу А до 100 % металу В. Потім кожну суміш плавлять і, повільно охолоджуючи її, визначають температуру точок кристалізації. За даними температур кристалізації сумішей і чистих металів будують діаграму стану подвійної металічної системи.

Якщо два метали, наприклад, Cu–Ni або Ag–Au, утворюють твердий розчин з необмеженою взаємною розчинністю, то діаграма стану такої системи має вигляд, наведений на рис5.

Рис.5. Діаграма стану системи з необмеженою взаємною розчинністю у твердому стані.

В цьому випадку температура плавлення твердого розчину певного складу не збігається з температурою його кристалізації. Тому на діаграмі стану маємо дві криві: верхня називається кривою ліквідусу (кристалізації), а нижня – кривою солідуса (плавлення). Вище за криву ліквідусу міститься область існування рідкої фази (L), нижче за криву – область твердого розчину (α). Ділянка між кривими ліквідусу і солідуса є областю співіснування твердої і рідкої фаз (L + α). З діаграми стану системи Cu–Nі видно, що коли охолоджувати рідкий сплав певного складу, то при кристалізації утворюються мішані кристали твердого розчину, у якому вміст металу з вищою температурою плавлення більший, ніж у вихідному рідкому стані. Навпаки, перехід від твердого до рідкого сплаву супроводжується спочатку збагаченням сплаву компонентом, що має нижчу температуру плавлення.

Якщо у твердому стані обидва метали практично взаємно нерозчинні один в одному і утворюють лише механічну суміш кристалів, то діаграма стану такої подвійної металічної системи має вигляд, наведений на рис.6.

Рис.6. Діаграма стану системи евтектичного типу.

Такі діаграми з мінімумом температури плавлення називаються діаграмами стану евтектичного типу. Мінімум на діаграмі склад–температура кристалізації з’являється внаслідок того, що, відповідно до другого закону Рауля, температура суміші має бути нижчою за температуру плавлення чистих металів. Склад суміші з найнижчою температурою плавлення називається евтектичною сумішшю або евтектикою (Е). Діаграма стану з евтектикою поділяється на п’ять ділянок: 1 – рідкий сплав; 2 і 3 – відповідають одночасному співіснуванню суміші рідкого сплаву і кристалів А і В відповідно; ділянки 4 і 5 – відповідають умові одночасного співіснування евтектики і кристалічних А (4) і В (5). Отже, при охолодженні сплаву, склад якого відрізняється від евтектичного, спочатку виділяються кристали металу, вміст якого перевищує його вміст в евтектиці. Наприклад, при охолодженні сплаву, який містить 20 % компоненту В виділятимуться кристали компоненту А до тих пір, поки його вміст у рідкому сплаві не досягне 60 %, тобто евтектичного складу.

Якщо два метали утворюють між собою одну або кілька сполук, то на діаграмі стану їм відповідає один або кілька максимумів (рис.7).

Рис.7. Діаграма стану системи з утворенням інтерметалічної сполуки.

Максимум на діаграмі стану називається дистектикою, яка показує, що утворюються сполуки певного складу. Розмитість максимуму свідчить про нестійкість і часткову дисоціацію утворених сполук. Стійким інтерметалічним сполукам га діаграмі стану відповідають різкі максимуми. Діаграми стану подвійних металічних систем з дистектикою умовно можна розділити на дві діаграми евтектичного типу. Е₁ і Е₂ – дві евтектичні точки.

Отже, термічний аналіз і діаграми стану металічних систем дають змогу вивчати склад і природу сплавів, а також на основі періодичної системи свідомо добирати композиції металів, щоб одержати сплаві з певними фізичними і хімічними властивостями.