Диаграмма фазового равновесия

Основными методами, используемыми для построения диаграмм состояния, являются: термический, микроструктурный и рентгеноструктурный методы. К числу дополнительных методов относятся дюрометрический, включающий исследование микротвердости структурных составляющих, механических свойств, определение электропроводности, теплопроводности, дилатометрический и магнитный методы, а также применение радиоактивных изотопов.

Наиболее наглядным и простым методом построения диаграмм состояния является термический метод, заключающийся в исследовании кинетических кривых охлаждения сплавов различных составов. Наблюдая по пирометру изменение температуры при медленном охлаждении металла, и откладывая на графике это снижение температуры в зависимости от времени, получают серии кривых для каждого из сплавов исследуемых систем (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2. Построение диаграмм фазового равновесия с применением термического анализа: а – в системе без растворимости компонентов в твердом состоянии; б – с непрерывным рядом твердых и жидких растворов; 1-4- номера сплавов и соответствующие им термические кривые для разных типов диаграмм

Существование горизонтальной площадки на кривой охлаждения чистого металла при его затвердевании или аллотропическом превращении вытекает из правила фаз, поскольку вариантность системы при этом С = 0. Такую же площадку имеет кривая и при протекании эвтектического превращения (рисунок 3.2, а). На термических кривых кристаллизации сплавов 2 и 4 перед горизонтальными участками наблюдается изменение наклона кривых охлаждения, что соответствует выпадению кристаллов компонентов А или В из жидкой фазы, происходящему в интервале температур. В системе с непрерывным рядом жидких и твердых растворов (рисунок 3.2, б) все термические кривые сплавов (за исключением чистых компонентов) однотипны. Кристаллизация всех сплавов полностью происходит в интервале температур. Следовательно, по правилу фаз вариантность в этих случаях равна С = 2 + 1 - 2 = 1, где в равновесии находятся две фазы во всем температурном интервале кристаллизации избыточных компонентов (А + L) или (В + L) (рисунок 3.2,а), или твердого раствора (L + a) (рисунок 3.2, б).

Для построения диаграммы фазового равновесия обнаруженные на термических кривых критические точки (точки перегиба, температуры ступенек) наносят на диаграммное поле в координатах состав - температура и соединяют их плавными кривыми.

Кривые, разграничивающие жидкое состояние сплава от твердо-жидкого и являющиеся линиями начала кристаллизации, называют линиями ликвидуса. Выше этих линий сплавы находятся в жидком состоянии. Линии, ниже которых сплавы находятся в твердом состоянии, называются линиями солидуса.

Построенные с помощью термического метода диаграммы уточняются различными методами металлографического исследования и измерениями физико-механических свойств сплавов, составляющую данную систему. Диаграммы состояния дают в сжатой и наглядной форме картину строения и свойств сплава при изменении его концентрации и температуры, позволяют определить температуру плавления, затвердевания и аллотропических превращений в сплавах, дают возможность изучить происхождение структур, наблюдаемых под микроскопом и увязать их структуру с механическими технологическими и физико-химическими свойствами. При изыскании новых сплавов диаграммы позволяют заменить старый рецептурный метод новым, научным методом, при помощи которого можно скорее и лучше подобрать их оптимальный состав.

Практическим недостатком диаграмм состояния (диаграмм фазового равновесия) является то, что они не содержат фактора времени и соответствуют только условиям равновесия, т.е. условиям очень медленного нагрева и охлаждения. В производственных условиях применяют большие скорости охлаждения, при которых критические точки резко изменяют свое положение, а в ряде случаев могут изменяться даже формы фазовых переходов.