На равновесную структуру сплавов

Сплавы состоят из нескольких элементов, которые называются компонентами. Свойства сплавов зависят от многих факторов, но прежде всего - от состава фаз и их количественного соотношения. Эти сведения можно получить из анализа диаграмм состояния.

Зная диаграмму состояния можно представить полную картину формирования структуры любого сплава, определить оптимальную температуру заливки сплава для получения литых деталей, оценить жидкотекучесть сплава и возможность получения химической неоднородности, сделать заключение о возможности и условиях обработки давлением, определить режим термической обработки, необходимый для данного сплава.

6.1. Метод построения диаграмм состояния

Любое фазовое превращение сплава отличается изменением физико-механических свойств (электросопротивления, объёмов), либо тепловым эффектом. Измеряя температуру при нагреве или охлаждении в функции времени, можно по переменам или остановкам на кривых охлаждения определить критические t°, при которых происходят фазовые превращения.

На рис. 6.1 видно, что при температуре 911°C отмечается уменьшение длины образца, а после 1392°C - новое превращение. Это свидетельствует о фазовых превращениях не раскрывая атомного строения этих фаз.

Рис. 6.1. Схема изменения длины железного образца

в зависимости от температуры нагрева

Диаграмму состояния строят в координатах температура - химический состав сплава.

Для экспериментального построения диаграммы состояния сплавов, образованных компонентами А и В, изготавливают серию сплавов с различным содержанием этих компонентов. Для каждого сплава экспериментально определяют критические точки, т.е. температуры фазовых превращений. Значения t° откладывают по оси Y, в соответствии с химическим составом сплавов (ось Х). Соединяя критические точки, получим линию диаграммы состояния.

На рис. 6.2 линия ликвидус – геометрическое место всех точек, которые определяют t° начала кристаллизации сплавов (ликва – жидкость (латинский). А линия солидус – геометрическое место всех точек, определяющих t° конца кристаллизации сплавов (солид – твёрдый). Эти линии разделяют диаграммы состояния на области с различным фазовым составом. Левая точка на оси Х соответствует 100% содержанию элемента А, правая крайняя точка соответствует 100% содержанию элемента В.

Для построения равновесной диаграммы, сплавы следует медленно охлаждать, либо нагревать. Таким образом, эти диаграммы характеризуют окончательное состояние сплавов, т.е. после того, как все превращения в них произошли и полностью закончились. Это состояние зависит от внешних условий (температуры, давления) и характеризуется числом и концентрацией образовавшихся фаз.

Рис. 6.2. Схема построения диаграммы состояния двухкомпонентного сплава

Общие закономерности существования устойчивых фаз, отвечающих условиям равновесия, в математической форме выражаются правилом фаз (правило Гиббса). Оно даёт возможность предсказать и проверить процессы, происходящие в сплавах при нагреве и охлаждении, указывает, какое число фаз может одновременно существовать в системе:

С = К+1–Ф;

где К - число компонентов в системе, Ф - число фаз, С - число степеней свободы системы, 1 - число внешних факторов (температура).

Применяя правило фаз к металлам и сплавам, можно во многих случаях принять изменяющимися только один внешний фактор – температуру, так как давление, за исключением очень высокого, мало влияет на фазовое равновесие сплавов в жидком и твердом состоянии.

Число степеней свободы - это число независимых переменных – внутренних (состав фаз) и внешних (t°С, давление) факторов, которые можно изменять без изменения числа фаз, находящихся в равновесии.

Так, в двойной системе при постоянном давлении может одновременно существовать не более 3-х фаз. Три фазы существуют при С = 0 (Ф = 2+1).

Если в равновесии в системе с определенным числом компонентов находится максимальное число фаз, то число степеней свободы равно нулю. Такое равновесие называют нонвариантным (безвариантным). При нонвариантном равновесии сплав из данного числа фаз может существовать в совершенно определенных условиях: при постоянной температуре и определенном составе всех находящихся в равновесии фаз. Это означает, что превращение начинает и заканчивается при одной постоянной температуре. Так, чистый металл при температуре затвердевания представляет собой однокомпонентную систему (К=1), состоящую из двух фаз – жидкой и твердой. С=1+1-2=0.

В случае уменьшения числа фаз на одну против максимально возможного, число степеней свободы возрастает на единицу (С=1). Такую систему называют моновариантной. Когда С=2, система бивариантна.

Например, сплав из двух компонентов при температуре затвердевания является двухфазной системой. В этом случае С=1, следовательно, можно (в определенных пределах) менять внешний фактор равновесия – температуру, без изменения числа фаз, при этом каждой температуре будем соответствовать определенная концентрация этих фаз; такой сплав кристаллизуется в интервале температур.

Экспериментальное построение диаграмм состояния являются трудоёмким процессом. Для построения диаграмм состояния, особенно для определения температур затвердевания, используют термический анализ. Для изучения превращений в твердом состоянии пользуются различными методами физико-химического анализа (микроанализа, рентгеноструктурного, дилатометрического, магнитного и др.).