Диаграммы состояния двухкомпонентных сплавов

Сплавы чаще всего находятся в метастабильном состоянии, когда они обладают ограниченной устойчивостью. Истинное равновесие в практических условиях достигается редко. Состояние сплава зависит от внешних условий (например, температуры и давления) и характеризуется числом и концентрацией образовавшихся фаз. Для описания фазового состава сплавов в условиях, достаточно близких к равновесному состоянию, применяют диаграмму состояния.

Диаграмма состояния (фазового равновесия) сплава – графическое изображение соотношения между параметрами состояния (температурой, давлением, составом) термодинамически равновесной системы, то есть фазового состояния любого сплава изучаемой системы компонентов в зависимости от его концентрации (в процентах по массе или, реже, в атомных процентах) и температуры. Обычно применяют проекции диаграммы состояния на одну из координатных плоскостей при постоянном значении остальных параметров, например, на плоскость температура − состав при постоянном давлении.

Диаграмма состояния характеризует окончательное или предельное состояние сплавов, то есть полученное после того, как все превращения в них произошли и полностью закончились.

Диаграммы состояния сплавов получают на основании данных экспериментальных исследований термического, микроскопического, рентгеноструктурного, магнитного и других анализов.

Для того чтобы зафиксировать превращения в твердом состоянии, сопровождаемые малыми тепловыми эффектами, обычно наблюдают за какой-либо физической величиной, значительно изменяющейся при фазо­вых превращениях (электрические, магнитные и другие свойства). На рис. 2.5 приведена за­висимость длины железного образца от температуры. При 911°С наблюдается уменьше­ние длины образца, что указы­вает на переход железа из од­ного фазового состояния в дру­гое, а при 1392°С отмечается новое превращение. Эти фи­зические эффекты свидетель­ствуют о фазовых превраще­ниях, не раскрывая атомного строения этих фаз.

Основным, наиболее простым и широко используемым является метод термического анализа. В этом анализе определяют температуру начала и конца затвердевания сплавов при переходе их из жидкого состояния в твердое, а также температуры всех фазовых превращений, происходящих в сплавах в твердом состоянии (например, полиморфизм). Полученные на кривых охлаждения характерные (критические) точки, фиксирующие начало и конец горизонтальных (изотермических) участков или перегибов, переносят в координаты температура – состав сплава (рис. 2.6).

Рис. 2.5. Схема изменения длины же­лезного образца в зависимости от тем­пературы нагрева

Рис. 2.6. Построение диаграммы состояния для случая неограниченной растворимости компонентов А и В в твердом и жидком состояниях: а – кривые охлаждения; б – диаграмма состояния

Фазовый анализ кривых охлаждения проводят, используя пра­вило фаз Гиббса(закон фаз):

число равновесно сосуществующих в какой-либо системе фаз не может быть больше числа образующих эти фазы компонен­тов, плюс, как правило, 2.

Правило фаз Гиббса связывает число существующих фаз Ф, число компонентов сплава К и число степеней свободы С в одно уравнение:

С = К - Ф + 2. (2.1)

Степенями свободы (вариантностью) системы называются та­кие независимые параметры (температура, давление, концентрация), при изменении которых число фаз, находящихся в равновесии, не ме­няется.

Цифра 2 в уравнении (2.1) отражает допущение, что фазовое со­стояние системы определяется двумя параметрами — температурой и давлением. Для металлических систем, рассматриваемых при посто­янном давлении, равном атмосферному, закон фаз записывается как

С = К – Ф + 1. (2.2)

Правило фаз Гиббса позволяет определить, какие параметры системы (например, температура и состав) можно изменить без изме­нения числа фаз, то есть безвариантно, (нонвариантно), или с измене­нием (моно- и бивариантно).

При нонвариантном равновесии сплав из данного числа фаз может существовать только при постоянной температуре и определенном составе всех находящихся в равновесии фаз. Это означает, что превращение начинается и заканчивается при одной постоянной температуре. Так, например, эвтектические и перитектические пре­вращения, протекающие при участии трех фаз постоянного состава, соответствуют нонвариантному равновесию и протекают при посто­янной температуре.

Диаграммы состояния одно- или двухкомпонентных систем — плоскостное изображение, на котором конкретные состояния систе­мы характеризуются такими геометрическими образами, как точки и линии.

На диаграмме состояния двухкомпонентных систем на оси абсцисс точками указываются составы сплавов, а на двух осях орди­нат (каждая соответствует 100%-ному содержанию одного из компо­нентов) — их температура. Любая точка на диаграмме определяет фазовый и химический составы сплава, а также его структуру при данной температуре. Вертикальная линия соответствует определен­ному химическому составу.

Линии, соединяющие критические точки аналогичных превра­щений в системе, разграничивают области существования равновес­ных фаз. Так, линия ликвидуси линия солидус— геометрические мес­та соответственно точек начала и окончания затвердевания двойных сплавов с различным содержанием компонентов.

Вид диаграммы состояния двойной системы определяется взаимодействием ее компонентов в жидком и твердом состояниях (образованием жидких и твердых растворов, химических соединений и промежуточных фаз), а также наличием полиморфных превраще­ний компонентов.

Диаграммы состояний многих двойных (бинарных) сплавов имеют сложный вид, так как в сплавах могут происходить полиморфные превращения одного или обоих компонентов. Такие пре­вращения происходят во многих промышленных сплавах, например, сплавах железа, титана и др. Но в большинстве случаев эти диаграммы могут рассматриваться как состоящие из нескольких диаграмм состояния простейших типов.