Понятие о диаграммах состояния и правило фаз
САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Им академика С.П.Королева
ДИАГРАММЫ CОСТОЯНИЯ И СТРУКТУРЫ ДВОЙНЫХ СПЛАВОВ
Методические указания к самостоятельной работе
Самара 2014
ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ И СТРУКТУРЫ ДВОЙНЫХ СПЛАВОВ
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Основные понятия о сплавах
Чистые металлы имеют сравнительно небольшое применение. В технике чаще используются сплавы - вещества, получаемые в результате взаимодействия двух или более компонентов при кристаллизации из жидкого состояния.
При изучении сплавов используют понятия о материальной системе, фазах, компонентах, структурных составляющих.
Материальной системой называют заполненную веществом часть пространства фактически или мысленно выделенную из окружающей среды.
Компонентами называют самостоятельные (химически индивидуальные) составляющие, из которых при определенных условиях могут образовываться все фазы системы, но которые не могут превращаться друг в друга. Компонентами сплавов обычно являются химические элементы (металлы, и неметаллы), а также химические соединения, не диссоциирующие в рассматриваемом интервале температур.
Фазой называется однородная составная часть сплава, имеющая одинаковый состав, одно и то же агрегатное состояние, кристаллическое строение и одинаковые свойства. Одна фаза отделена от другой поверхностью раздела, при переходе через которую состав, кристаллическое строение и свойства изменяются скачкообразно. Совокупность фаз, находящихся в равновесии, называют системой.
Строение сплавов в жидком состоянии сравнительно просто: в большинстве случаев компоненты полностью растворимы друг в друге и образуют жидкий неограниченный раствор (расплав).
Строение сплавов в твердом состоянии более сложно и зависит от того, в какие взаимодействия вступают компоненты друг с другом. Различают три основных вида, взаимодействия.
-образование твердых растворов;
-образование химических соединений и промежуточных фаз;
-образование физико-химической смеси компонентов и фаз
Твердыми растворами называются однородные кристаллические образования, в которых атомы растворенного компонента или замещают атомы растворителя в узлах кристаллической решетки (растворы замещения), или располагаются между ними (растворы внедрения).
Иногда могут образовываться растворы вычитания это особый вид растворов на базе химических соединений, имеющих кристаллическую решетку с дефектами - вакантными узлами. В твердых растворах замещения растворимость одного компонента в другом может быть ограниченной и неограниченной. Твердые растворы внедрения и вычитания всегда ограничены. Общим для твердых растворов замещения и внедрения, отличающим их от других фаз (например, химических соединений), является то, что кристаллическая решетка раствора та же, что и у компонента растворителя. Твердые растворы имеют переменную концентрацию растворенного компонента.
Химические соединения и родственные им по природе промежуточные фазы отличаются от твердых растворов своей собственной кристаллической решетки отличной от решетки исходных компонентов. Они имеют строго определенную концентрацию и собственную температуру плавления (диссоциации). Свойства химических соединений и промежуточных фаз резко отличаются от свойств образующих их компонентов.
Смеси компонентов образуются тогда, когда, они не способны к взаимному растворению и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения. В отличие от твердых растворов и химических соединений (промежуточных фаз), смеси всегда, многофазны. Различают смеси чистых компонентов, чистого компонента с хим. соединением, твердого раствора с хим. соединением и пр. Строение фаз в сплаве выявляется с помощью рентгеноструктурного анализа.
Под структурой понимается строение сплава. Она определяется характером взаимодействия, формой и размером зерен отдельных фаз в сплаве. Структурными составляющими сплава называют обособленные части (зерна) сплава, имеющие одинаковое строение с присущими им характерными особенностями, выявляемыми при рассмотрении под оптическим микроскопом. Они могут быть однофазными (чистые компоненты, твердые растворы, соединения.) и многофазными (смеси указанных фаз). При этом одни и те же фазы образуют различные структурные составляющие сплава.
Понятие о диаграммах состояния и правило фаз
Диаграмма состояния – это графическое изображение фазового состояния сплава в зависимости от температуры и состава.
Диаграмма состояния строится в координатах «температура-состав» (рис.1) и показывает равновесные фазы, возникающие в сплавах при различных сочетаниях этих факторов.
Для построения диаграмм состояния используют, прежде всего, метод термического анализа. При этом строят кривые охлаждения для сплавов с разным содержанием исходных компонентов. Все изменения фазового состава сплава сопровождаются тепловыми эффектами – выделением или поглощением тепла.
Рис.1 Координаты для построения диаграмм состояния
На кривой охлаждения эти эффекты отражаются перегибами или температурными остановками. Точки перегибов и остановок на кривой охлаждения называются критическими точками, или точками фазовых превращений данного сплава. Одновременно изменяются физические и механические свойства сплава. Измеряя их, можно уточнить температуру фазового превращения, если тепловой эффект слабо выражен.
Получив множество кривых охлаждения, критические точки переносят на график в координатах «температура – состав», получая, таким образом, диаграмму состояния (рис.2).
Рис.2 Построение диаграмм состояния
Диаграмма состояния позволяет:
- определить для каждого сплава, какие фазы, при каких температурах находятся в равновесии;
- установить состав и количественное соотношение находящихся в равновесии фаз;
- предсказать приблизительно структуру сплава, а иногда определить количественное соотношение структурных составляющих.
Правильность построения диаграмм и общие закономерности сосуществования устойчивых фаз, отвечающих условиям равновесия, могут быть выражены в математической форме, называемой правилом фаз или законом Гиббса.
Правило фаз (или закон Гиббса) дает количественную зависимость между степенью свободы системы, количеством фаз и компонентов.
Степенью свободы или вариантностью принято называть способность системы изменять свои внутренние параметры без изменения числа фаз. К внутренним параметрам системы относят ее температуру и химический состав отдельных фаз.
C = K – F + 2,
где:
C – число степеней свободы, т.е число внутренних факторов (температура и концентрация), которые можно изменять без изменения числа фаз;
K – число компонентов в системе;
F – число фаз.
2 – внешние факторы равновесия, т.е. температура и давление окружающей среды.
Если одна из внешних переменных, определяющих состояние системы, принимается постоянной (обычно давление окружающей среды), то общее число переменных уменьшается на единицу и правило фаз записывается как
C = K – F + 1
Таким образом, С = 2 для однофазного состояния двухкомпонентной системы С = 0, если количество фаз в системе три. Т.е. невозможно изменение температуры системы без изменения числа фаз.
Определив степень свободы для чистого металла и сплава в жидком состоянии и в момент кристаллизации, можно построить кривые нагрева в координатах температура – время (рис. 3).
а) б)
Рис.3. Кривая нагрева чистого металла (а) и сплава (б)
Степень свободы для чистого металла в момент кристаллизации:
K = 1 – один компонент;
F = 2 - две фазы;
С = К – Ф + 1 = 1 – 2 + 1 =0.
Таким образом, в момент плавления или кристаллизации чистого металла температура остается постоянной до полного исчезновения одной из фаз. На кривой охлаждения появляется температурная остановка (рис. 3а).
Степень свободы для двухкомпонентного сплава в момент плавления или кристаллизации:
K = 2 – два компонента;
F = 2 - две фазы;
С = К – Ф + 1 = 2 – 2 + 1 =1.
Т.е. температура сплава в этот момент может изменяться (рис.3б).
Если реакция кристаллизации происходит с участием трех фаз
(Ж ® А + В), то степень свободы также будет равна нулю и температура сплава во время кристаллизации изменяться не будет.