2. Основні типи простіших діаграм стану двокомпонентних систем. Аналіз структури і властивостей сплавів

   1. Побудова діаграм стану двокомпонентних систем. Правило фаз. Правило відрізків.

Діаграми станів представляють собою наглядне зображення процесів кристалізації сплавів в рівноважних умовах. Діаграма стану даної системи сплавів показує, як змінюється фазовий склад і структура сплавів в залежності від двох факторів: температури нагрівання або охолодження і концентрації (кількісного складу компонентів). Третій фактор - атмосферний тиск вважається постійною величиною.

Кожна діаграма системи сплавів створюється експериментальним шляхом. Спочатку будують криві охолодження сплавів з різною концентрацією компонентів. При цьому швидкості 0X0-

о дження повинні бути дуже малими для того, щоб наблизити стан сплавів до істинної рівноваги. На рис. 84 показана крива охолодження сплаву X, побудована за результатами даних, одержаних при вимірюванні температури через певні інтервали часу. Точки перегину (1) і температурної зупинки (2-2') на кривій охолодження називаються критичними точками сплаву X. Вони показують, що в сплаві відбуваються фазові перетворення, які супроводжуються зміною кількості виділяємо! або поглинаємої теплової енергії. Такі точки переносяться в систему координат "температура-концентрація" на вертикальні лінії (рис.85).

Для сплавів з іншою концентрацією компонентів положення критичних точок і їх кількість змінюються.

Рис. 85. Діаграма стану двокомпонентної системи і криві охолодження сплавів

різного складу.

Потім точки з'єднуються плавними лініями, і утворюється плі рама рівноважного стану сплавів двокомпонентної системи А- В.

Кожна точка діаграми показує фазовий склад при даній ампсратурі сплаву з певною концентрацією компонентів. Такі нічки називають фігуративними точками. Вертикальні лінії, проведені на діаграмі, називаються лініями фігуративних точок. Як видно з діаграми, температури кристалізації сплавів відрізняються від температур кристалізації чистих компонентів.

Термодинамічними параметрами системи являються м мисратура, тиск і концентрація компонентів в фазах. Від цих параметрів залежить фазовий стан сплаву в умовах рівноваги. Температура і тиск являються зовнішніми факторами, а / * пщентрація компонентів в фазах — внутрішнім фактором.

Кристалізація в рівноважних умовах підкоряється правилу фаз, мке показує, як йде процес кристалізації , а також яка кількість фаз може одночасно існувати. Це правило є справедливим для всіх ргчонин і носить назву правила фаз або закону Гібса. Правило фаз І.в кількісну залежність між ступенем свободи системи, кількістю компонентів і кількістю фаз.

Під числом ступенів свободи (варіантністю) системи роїуміють число зовнішніх та внутрішніх факторів, які можна імнповати довільно в деякому інтервалі так, щоб не з'явились нові і не іпнкли старі фази.

Математичне зображення правила фаз:

С= К-Ф+2;

де С- число ступенів свободи; К- число компонентів; Ф- число фаз.

Якщо прийняти, що всі перетворення в сплавах відбуваються в умовах незмінного тиску (Р=соп$1:), то число перемінних зменшується на одиницю, і рівняння правила фаз має вигляд:

С=К-Ф+1.

Ця формула подальше й використовується під час аналізу кристалізації сплавів 'двокомпонентних систем: при К=2, С=3-Ф. При цьому рахують число ступенів свободи в різних інтервалах температур (а то й при постійній температурі) і будують криві охолодження або нагріву.

Користуючись діаграмою, можно визначити кількість фаз в конкретному сплаві при заданій температурі, а також встановити

х

Рис. 86. Визначення кількості фаз в сплаві при заданій температурі і хімічного складу кожної фази.

імічний склад кожної фази. Для цього через фігуративну точку сплаву на діаграмі (рис. 86) (наприклад, для сплаву "2" візьмемо точку "ї") проводимо коноду (горизонтальну лінію) до перетинання з найближчими кривими діаграми. Позначимо точки перетинання "т" і "п". За правилом відрізків (або правилом важеля) кількість даної фази буде прямо пропорційна відрізку коноди, розташованому в протилежному напрямку від області гомогенності даної фази. Так, кількість рідини буде пропорційна відрізку ’Тп", а кількість твердої фази (кристалів В) пропорційна відрізку "тГ\ Кількість всього сплаву відповідає всьому відрізку "шп". Тоді можна записати:

<2_Ь = — • 100%; (2 = . юо%.

тп ^и пш

Якщо відома вага всього сплаву, то замість 100% можна поставити значення ваги і визначити кількість фаз у ваговій категорії.

Хімічний склад кожної фази визначають точки перетинання коноди з лініями діаграми, якщо їх проектувати на ось концентрацій.

І .н . гочка "т" вказує склад рідкої фази, а точка "п"-твердої фази, •и .і в нашому прикладі відповідає 100% компонента В.

'Значення діаграм стану цим не вичерпується. Вивчення тиграм дозволяє зрозуміти природу сплавів, уяснити їх структуру пісня повільного охолодження, а також з'ясувати їх технологічні ммісті і можливості. Наприклад, з діаграми можна визначити, які ■ 11 панн за складом будуть мати хороші ливарні властивості, і, шишаки, сплави якого складу треба застосувати для холодної

• •пробки тиском, для зварювання, для зміцнюючої термічної

• •пробки. Взагалі побудова діаграм рівноважного стану і їх вивчення

• надзвичайно важливою справою для практичного металознавства.