Диаграммы состояния двойных сплавов

Диаграммы состояния, или диаграммы фазового равновесия, графической форме показывают фазовый состав сплава в зависимости от температуры и концентрации компонентов. Их строят для условий равновесия, т. е. такого состояния сплавов, которое достигается при очень малых скоростях охлаждения или длитель­ном нагреве (рис. 21). Устойчивое равновесное состояние обладает минимальной свободной энергией (энергией Гиббса).

Простейшими двухкомпонентными диаграммами состояния металлических сплавов являются следующие.

Диаграмма состояния сплавов, образующих механические смеси (I тип). Оба компонента неограниченно растворимы в жид­ком состоянии, нерастворимы в твердом состоянии и не образуют химических соединений. Составляющие элементы сплавов: компо­ненты А, В; фазы: жидкость Ж, кристаллы А, В.

Изменения физико-химических свойств сплавов, образующих механические смеси, носят линейный характер.

Диаграмма состояния сплавов с неограниченной раствори­мостью компонентов в твердом состоянии (II тип). Оба компо­нента неограниченно растворимы в жидком и твердом состоянии и не образуют химических соединений. Составляющие элементы сплавов: компоненты А, В; фазы: жидкость Ж, кристаллы α-твердого раствора.

Изменения свойств сплавов, образующих растворы с неогра­ниченной растворимостью, имеют криволинейную зависимость.

Диаграмма состояния сплавов с ограниченной раствори­мостью компонентов в твердом состоянии (III тип). Оба компо­нента неограниченно растворимы в жидком состоянии, ограниченно растворимы в твердом состоянии и не образуют химических соеди­нений. При этом ограниченная взаимная растворимость в твердом состоянии может меняться с изменением температуры. Составля­ющие элементы сплавов: компоненты А, В; фазы: жидкость Ж, α- и β-твердый растворы.

Изменения свойств сплавов, образующих растворы с ограни­ченной растворимостью в области однофазных растворов, имеют криволинейную зависимость, в двухфазной области — линейную.

Диаграмма состояния сплавов, образующих химические со­единения (IV тип]. Химическое соединение характеризуется строго определенным соотношением компонентов, которое на диаграмме состояния изображается вертикальной линией. Оно играет роль самостоятельного компонента, разделяя общую диаграмму состоя­ния на ряд отдельных диаграмм. Составляющие элементы сплавов: компоненты А, В, А_т В_п; фазы: жидкость Ж, кристаллы A, В, А_т, В_п.

Для сплавов, образующих химические соединения, концентра­ции химического соединения соответствует максимум (или минимум) на кривой.

Линии, параллельные оси концентраций и соединяющие со­ставы фаз, находящихся в равновесии при данной температуре, называются конодами.

Равновесное состояние сплава определяется составом фаз, тем­пературой и давлением.

Линия температур начала кристаллизации сплава, выше ко­торой сплав находится в жидком состоянии, называется ликвидус, а линия температур окончания кристаллизации, ниже которой сплав находится в твердом состоянии, — солидус.

В твердом растворе замещения атомы растворимого металла не занимают особых мест в кристаллической решетке растворителя.

В твердом растворе внедрения атомы растворимого металла распределяются в кристаллической решетке металла растворите­ля в промежутках между его атомами.

В твердом растворе вычитания наблюдается уменьшение ко­личества атомов растворителя и появление свободных узлов в его кристаллической решетке (вакансии).

Эвтектикой называется механическая смесь отдельных зерен компонентов, которая образуется из жидкости сплава, обладающе­го наименьшей температурой плавления.

Степенью свободы сплава называется число вариантов изме­нения температуры, давления, концентрации без изменения числа фаз в системе.

Число степеней свободы определяется по формуле

С = К–Ф+В,

где К — число компонентов; Ф — число фаз; В — число внешних факторов (температура и давление; если принять давление посто­янным, то В = 1).

Число степеней свободы не может быть меньше нуля и не мо­жет быть дробным числом, т. е. С > 0. Число фаз в сплаве, находя­щемся в равновесном состоянии, не может быть больше числа ком­понентов плюс единица (Ф < К + 1). Следовательно, в двойной системе в равновесии может находиться не более трех, в тройной — не более четырех фаз и т. д.

Если при равновесном состоянии в системе с определенным числом компонентов находится максимальное число фаз (Ф = 3), то число степеней свободы системы равно нулю (С = 0). Такое равно­весие называет нонвариантным (безвариантным). При нонвариантном равновесии сплав из данного числа фаз может существо­вать только в совершенно определенных условиях: при постоянной температуре и определенном числе всех находящихся в равновесии фаз (в данном случае Ф = 3). Это означает, что фазовое превраще­ние начинается и заканчивается при постоянной температуре.

В случае уменьшения числа фаз на одну против максимально возможного С=1. Такую систему называют моновариантной (одновариантной). Если С = 2, то система бивариантна (двухвариантна).

Закономерность изменения числа фаз в гетерогенной системе определяется правилом фаз. Его применяют также для двухфаз­ных областей всех типов диаграмм состояния двойных систем.

В любой точке диаграммы, когда в сплаве одновременно су­ществует две фазы, можно определить количественное соотноше­ние обеих фаз и их концентрации. Для этого используется правило концентрации и правило отрезков (правило рычагов).

По первому положению правила отрезков для определения концентраций компонентов в фазах необходимо через точку, характеризующую состояние сплава, провести горизонтальную линию до пересечения с линиями диаграммы состояния, ограничивающи­ми данную двухфазную область (коноду). Проекции точек пересе­чения на ось концентраций покажут составы фаз.

По второму положению правила отрезков длины отрезков коноды между заданной точкой и точками, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз. Так, напри­мер, концентрация жидкой фазы определяется точкой коноды на ли­нии ликвидуса, а концентрация твердой фазы — на линии солидуса при заданной температуре.

Для определения весового (или объемного) количества твердой фазы необходимо взять отношение длины отрезка, примыкающего к составу жидкой фазы, к длине всей коноды; для определения количества жидкой фазы берется отношение длины отрезка, при­мыкающего к составу твердой фазы, к длине коноды.

Правило отрезков в двойных диаграммах состояния можно применять только в двухфазных областях.

В однофазной области любая точка внутри этой области харак­теризует концентрацию фазы, количество которой составляет 100 %.

Химический состав и структура определяют свойства метал­лического сплава. Структура в свою очередь зависит от характера взаимодействия компонентов, входящих в состав сплава, что и отражает диаграмма состояния. Зависимость между физико-химическими свойствами сплавов и типом диаграммы состояния, представляемая в виде диаграммы состав — свойства, называется законом (пра­вилом) Курнакова.

Двухфазные эвтектические сплавы обладают лучшими литей­ными свойствами; однако при значительном расстоянии между линиями ликвидуса и солидуса сплавы склонны к сильной ликва­ции. Двухфазные сплавы легче, чем однофазные, подвергаются обработке резанием.

Однофазные сплавы (твердые растворы) лучше, чем двухфаз­ные, поддаются обработке в холодном состоянии; кроме того, они обладают высокой способностью сопротивляться коррозии.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: