2018-03-09
827
При выборе материалов для изготовления различного рода изделий, использующихся в широком диапазоне условий эксплуатации, необходима оценка их физико-химических, механических и технологических свойств и возможностей изменения последних. Рациональный подход к такой оценке дают знание диаграмм фазового равновесия и умение их анализировать.
К настоящему времени изучено около 10 тыс. диаграмм состояния двойных систем, и число их продолжает расти.
Цель практической работы — изучение основных типов диаграмм фазового равновесия реальных двойных систем, приобретение практических навыков их использования для изучения превращений, происходящих в сплавах, анализа и расчета фазового состава и состава твердых растворов системы при заданной температуре.
Термины и определения
Диаграмма фазового равновесия (диаграмма состояния) — графическое изображение соотношения между параметрами состояния (температурой, давлением, составом) термодинамически равновесной системы, т.е. фазового состояния любого сплава изучаемой системы компонент в зависимости от его концентрации.
|
|
|
Компонент — составная часть, в данном случае химический элемент, образующий сплав.
Конода — горизонтальный отрезок, концы которого ограничены равновесными сосуществующими фазами и содержанием в них компонентов; характеризует состав фаз, находящихся в равновесии.
Ликвидус — геометрическое место точек начала затвердевания бинарных сплавов с различным содержанием компонентов на диаграмме состояния.
Линии фигуративных точек — вертикальные линии на диаграмме состояния, соответствующие определенному химическому составу сплава.
Линия предельной растворимости — линия на диаграмме состояния бинарных сплавов, характеризующая изменение растворимости компонента с
изменением температуры.
Перитектика — структурная составляющая сплава, представляющая собой механическую смесь фаз, образующуюся за счет ранее выделившейся твердой фазы и закристаллизовавшейся жидкой части сплава определенного состава.
Раствор твердый — однофазный в твердом состоянии сплав, в котором соотношение компонент может быть переменным и один из компонентов (растворитель) сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы другого (или других) компонента располагаются в решетке этого компонента, изменяя ее размеры (периоды решетки).
Система (гетерогенная) — макроскопически неоднородная термодинамическая система, состоящая из различных по физическим свойствам или химическому составу частей (фаз).
Соединение химическое — фаза, кристаллическая решетка которой отличается от решеток компонентов, ее образующих. Вхимическом соединении всегда сохраняется простое кратное соотношение компонентов А m В n, где т и n — простые числа.
|
|
|
Солидус — на диаграмме состояния геометрическое место точек конца затвердевания бинарных сплавов с различным содержанием компонентов.
Составляющая структурная — часть сплава (однофазная или многофазная), имеющая характерную (однообразную) структуру и отделенная от остальных частей сплава поверхностями раздела.
Состав фазовый — количественная характеристика содержания в материале различных фаз.
Состав химический — количественная характеристика содержания в материале химических элементов.
Строение — совокупность устойчивых связей вещества, обеспечивающих его целостность и тождественность самому себе, т.е. сохранение основных свойств.
Микроструктура — форма, размеры, количество и характер взаимного распределения фаз гетерогенной системы, наблюдаемые с помощью оптического или электронного микроскопа.
Точки фигуративные — точки на диаграмме состояния, определяющие фазовый и химический состав системы при заданной температуре.
Фаза — термодинамически равновесное состояние вещества, характеризующееся агрегатным состоянием, атомным (молекулярным) составом и строением, а также отделенное пространственными границами от других возможных равновесных состояний (фаз) того же вещества.
Эвтектика — структурная составляющая сплава, представляющая собой механическую смесь фаз, образующуюся при одновременной кристаллизации двух (или более) фаз из расплава.
Эвтектоид — структурная составляющая сплава, представляющая собой механическую смесь фаз, образующуюся при одновременной вторичной кристаллизации двух (или более) фаз из твердого раствора.
Основы теории
1.1 Способ и условия построения диаграмм фазового равновесия
Для построения диаграмм фазового равновесия используют термический анализ. Для этой цели экспериментально получают кривые охлаждения отдельных сплавов и по их перегибам или остановкам, связанным с тепловыми эффектами превращений, определяют температуры соответствующих превращений. Эти температуры называют критическими точками. для количественного и качественного изучения этих превращений в твердом состоянии используют различные методы физико-химического анализа: микроанализ, рентгеноструктурный, магнитный и др.
Как правило, диаграммы фазового равновесия строят в координатах температура — концентрация в процентах по массе или атомных процентах компонента. диаграммы фазового равновесия в удобной графической форме показывают фазовый состав сплава в зависимости от температуры и концентрации компонентов и дают наглядное представление о процессах, происходящих в сплавах системы при нагреве и охлаждении.
Пример построения диаграммы фазового равновесия приводится в разделе “Эвтектическая диаграмма состояния непрерывных твердых растворов”, а для системы “олово — цинк” — в приложении.
1.2 Основные типы диаграмм фазового равновесия
Рассмотрим наиболее распространенные типы диаграмм фазового равновесия (в дальнейшем — диаграмм состояния) бинарных систем, построенных на основе термографического и микроскопического анализов (рис. 1).
диаграммы состояния
непрерывных твердых растворов
Если компоненты А и В по строению электронных оболочек атомов, их радиусам и энергиям химических связей достаточно близки между собой и их замена друг другом не связана с затруднениями структурного и энергетического характера, то обычно возникают непрерывные твердые растворы (рис. 2). Над линией ликвидуса l лежит область расплава L, под линией солидуса s — область твердого раствора S, между ними — область кристаллизации. Рассмотрим особенности кристаллизации систем этого типа (рис. 2, а).
|
|
|
При составе, соответствующем фигуративной точке Ф1, охлаждаем расплав до точки l’. Начинают выпадать кристаллы состава s’. При охлаждении до точки К” выпадут кристаллы s ”, состав расплава отвечает точке l”. По мере охлаждения состав кристаллов изменяется по кривой s’ - s” - s”’, состав расплава — по кривой l’— l“— l’”. Соотношение количества выпавших кристаллов и доли расплава равно отношению отрезков Кl:К s коноды ls. В точке s”’ расплав окончательно кристаллизуется.
В качестве примера диаграмм состояния непрерывных твердых растворов на рис. 2b приведена реальная диаграмма состояния системы
Ag —Аu. Диаграммы состояния непрерывных твердых растворов могут иметь максимум или минимум (рис. 3)
| Температура |
|
| Твердость | |
| Электро-сопротивл. | |
| Температурный коэф. эл.сопротивления |
| Температура |
|
| Твердость | |
| Электро-сопротивл. | |
| Температурный коэф. эл.сопротивления |
| Отожженные сплавы | 
| Закалённые сплавы |
Рис.1. Важнейшие типы диаграмм состояния в бинарных системах (по В.А.Немилову)
|
| |
|
Рис. 2. Диаграммы состояния непрерывных твердых растворов: а – ход кристаллизации в таких системах; б – диаграмма состояния системы Ag —Аu.
|
| ||
|
| ||
Рис.3. Диаграммы состояния непрерывных твердых растворов с максимум или минимумом. Примером первого случая является система Рб – Ti,
примером второго – система Сu – Mn
