Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Книга по материаловедению.doc
Скачиваний:
564
Добавлен:
21.03.2015
Размер:
32.19 Mб
Скачать

7. Диаграммы состояния

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния сплава. Диаграммы состояния строят для условий равновесия или условий, достаточно близких к ним. Поэтому диаграмма состояния может также называться диаграммой равновесия.

Равновесное состояние соответствует минимальному значению свободной энергии. Этого состояния можно достичь при отсутствии перегрева или переохлаждения сплава. Диаграмма состояния представляет собой теоретический случай, т.к. равновесные превращения (без переохлаждения или перегрева) на практике не могут совершаться. Обычно на практике используются превращения, происходящие при малых скоростях нагрева или охлаждения.

Общие закономерности сосуществования устойчивых фаз могут быть выражены в математической форме в виде правила фаз или закона Гиббса.

Правило фаз дает количественную зависимость между степенью свободы системы и количеством фаз компонентов.

Под числом степеней свободы (вариантностью) системы понимают число внешних и внутренних факторов (температура, давление, концентрация), которое можно изменять без изменения числа фаз в системе.

Правило фаз.

С= k - f + 2

С - число степеней свободы, k- число компонентов, f – число фаз, 2 – число внешних факторов.

Правило фаз справедливо только для равновесного состояния.

Независимыми переменными в уравнении правила фаз являются концентрация, температура и давление. Если принять, что все превращения в металле происходят при постоянном давлении, то число переменных уменьшится на единицу.

С= k - f + 1

Пример. Посмотрим, как изменяется степень свободы однокомпонентной системы (k=1) для случая кристаллизации чистого металла. Когда металл находится в жидком состоянии, т.е. f =1 (одна фаза - жидкость), число степеней свободы равно 1. Температура в данном случае может изменяться, не изменяя агрегатного состояния. В момент кристаллизации f =2 (две фазы – твердая и жидкая), С=0. Это значит, что две фазы находятся в равновесии при строго определенной температуре (температура плавления), и она не может быть изменена до тех пор, пока одна фаза не исчезнет, т.е. система не станет моновариантной (C=1).

7.1. Общие сведения о построении диаграмм состояния

Диаграмма состояния показывает изменение состояния в зависимости от температуры (давление постоянно) и концентрации.

Если система однокомпонентна, то диаграмма состояния будет представлена в виде одной оси - шкалы температур, и соответствующие точки на прямой покажут равновесную температуру изменения агрегатного состояния вещества (рис 27,а).

Если в системе два компонента, то вторая ось покажет концентрацию сплава. Диаграмму в этом случае строят в двух измерениях: температура и концентрация. По оси ординат откладывают температуру, по оси абсцисс – концентрацию. Общее содержание обоих компонентов в сплаве равно 100%, каждая точка на оси абсцисс соответствует определенному содержанию каждого компонента (рис. 27,б).

В точке С 40% компонента В и 60% компонента А. По мере удаления от точки А увеличивается количество компонента В. Крайние ординаты на диаграмме соответствуют чистым компонентам, а ординаты между ними – двойным сплавам.

а б

Рис.27. Координаты для изображения диаграммы состояния: а) однокомпонентной системы, б) двухкомпонентной системы

Диаграмма состояния сплавов с тремя компонентами имеет пространственный вид (две оси концентрации, одна - температур). Четырехкомпонентную систему и системы с большим числом компонентов изображают в виде пространственных диаграмм, но с некоторыми упрощениями.

Каждая точка на диаграмме состояния показывает состояние сплава данной концентрации при данной температуре. Каждая вертикаль соответствует изменению температуры определенного сплава. Изменение фазового состояния сплава отмечается на диаграмме точкой. Линии, соединяющие точки аналогичных превращений, разграничивают на диаграмме области аналогичных фазовых состояний.

Вид диаграммы состояния зависит от того, как реагируют оба компонента друг с другом в твердом и жидком состоянии, т.е. растворимы ли они в твердом и жидком состояниях, образуют они химические соединения и т.д.