Материаловедение

Процессы кристаллизации и фазовых превращений сплавов описывают с помощью диаграмм состояния или диаграмм фазового равновесия. Эти диаграммы в удобной графической форме показывают фазовый состав и структуру сплава в зависимости от температуры и концентрации компонентов.

Диаграммы состояния двойных сплавов строят в координатах «концентрация компонентов – температура» Общее содержание двухкомпонентного сплава в любой точке оси абсцисс равно 100%, а крайние точки соответствуют чистым компонентам. Каждая точка на

диаграмме состояния показывает состояние сплава данной концентрации при данной температуре и называется фигуративной точкой.

Диаграммы состояния позволяют определить фазовые превращения в условиях очень медленного охлаждения или нагрева. Т.о., эти диаграммы характеризуют окончательное состояние сплава после того, как все превращения в них произошли и полностью закончились.

Зависимость между числом фаз системы, числом ее компонентов и числом внешних независимых переменных определяется правилом фаз.

В общем случае правило фаз Гиббса выражается следующим уравнением

С = К + П - Ф,

где: С - число степеней свободы или вариантность системы, К - количество компонентов системы, П - количество независимых переменных, Ф - количество фаз в системе.

Под числом степеней свободы понимают число независимых переменных – температуры, давления и концентрации, при изменении которых не изменяется число фаз, находящихся в равновесии.

Внешними независимыми переменными является температура и давление. При рассмотрении конденсированных систем (твердых тел, жидкостей) давление не оказывает решающего влияния на состояние

системы, поэтому внешним независимым является температура, при этом

П = 1 и С = К + 1 − Ф.

Для равновесия системы необходимо, чтобы количество фаз в структуре не превышало числа компонентов более чем на 1, т.е. чтобы Ф К + 1.

В том случае, когда в равновесии находится максимальное количество фаз, т.е. Ф = К + 1 и С = 0, система называется безвариантной или нонвариантной. Примером такой системы является кристаллизация,

аллотропическое превращение в чистом металле, где Ф = 2 при К = 1, а также эвтектическое или перитектическое превращение в

двухкомпонентной системе, где Ф = 3 [L +( + )], при К = 2. Система, в которой С = 1, т.е. когда Ф = К, является одновариантной или моновариантной. Примером является кристаллизация твердого раствора. При С = 2 система - двухвариантная или бивариантная.

Кривые охлаждения чистого металла (1) и двухкомпонентного сплава (2).

а – начало кристаллизации, b – конец кристаллизации.

ТИПОВЫЕ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ Диаграмма состояния сплавов, образующих механические смеси

из чистых компонентов

Линия, ограничивающая на диаграмме область жидкой

фазы сплавов, называется

линией ликвидус.

Линия, ограничивающая на диаграмме область полностью затвердевшего сплава от остальной области на

диаграмме состояний, называется линией солидус.

А А+эвт. Эвтектика В+эвт

В

Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии

Компоненты неограниченно растворимы в твердом и жидком состояниях и не образуют химических соединений.

Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии

Диаграмма с эвтектическим превращением

Компоненты неограниченно растворимы в жидком состоянии, ограниченно растворимы в твердом состоянии и не образуют химических соединений.

Диаграмма состояния сплавов, образующих химические соединения

Оба компонента неограниченно растворимы в жидком состоянии, нерастворимы в твердом состоянии, но образуют химические соединения.