Понятия о диаграммах фазового равновесия систем. Цель их существования.
1. Система. Системой называют группу тел (веществ), которую выделяют из прочих окружающих тел и в которой наблюдают интересующиеся явления.
Для металлических сплавов системой будет является совокупность фаз, находящиеся в состоянии равновесия. Система, состоящая из одной фазы, называется гомогенной; система, состоящая из двух и более фаз – гетерогенной.
2. Фаза. Фазой называют однородную (гомогенную) составную часть системы, имеющую одинаковый состав, строение и свойства. Одно и тоже агрегатное состояние и отдельную от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства резко меняются.
Фазами могут быть:
1) сами элементы в твердом, жидком состоянии и их аллотропические модификации;
2) жидкие и твердые растворы, химические соединения.
3. Структура. Под структурой понимают форму, размеры, количество и характер взаимного расположения соответствующих фаз.
4. Компоненты. Компонентами называют независимые индивидуальные вещества, способные существовать в изолированном виде, наименьшее число которых достаточно для образования всех фаз данной системы.
5. Металлический сплав – вещество, обладающее металлическими свойствами, полученное сплавлением или спеканием двух или более компонентов. В металлических сплавах компонентами являются чистые металлы и неметаллы, а также химические соединения.
Диаграммы состояния или диаграммы фазового равновесия в удобной графической форме показывают фазовый состав сплава в зависимости от температуры и концентрации компонентов. Диаграммы состояния строят для условий равновесия или условий, достаточно близких к ним. Они дают наглядное представление о процессах, происходящих в сплавах при нагревании и охлаждении, что может быть использовано при оценке физико-химических, механических и технологических свойств сплава и позволяет рационально подойти к выбору материалов для изготовления изделий.
Диаграммы состояния двойных систем строят в координатах «концентрация компонентов – температура». Линии, соединяющие точки аналогичных превращений в системе, разграничивают области существования равновесных фаз. Каждая точка на диаграмме определяет фазовый и химический состав сплава, а также его структуру при данной температуре.
Основные вопросы, решаемы с помощью диаграмм:
1) Определить количество фаз;
2) Количественное соотношение фаз;
3) Формирование структуры любого сплава;
4) Определить оптимальную температуру заливки сплава для получения литых деталей;
5) Оценить жидкотекучесть сплава;
6) Сделать заключение о возможности и условиях обработки давлением;
7) Определить режим термообработки.
Правило фаз.
Общие закономерности существования устойчивых фаз могут быть выражены в математической форме, именуемой правилом фаз или загоном Гиббса.
Правило фаз показывает количественную зависимость между числом степеней свободы С, числом компонентов К и числом фаз Ф:
С = К – Ф + 2 (1)
Независимыми переменными в уравнении правила фаз являются концентрация, температура, давление. Если признать, что все превращения происходят при постоянном давлении, то число переменных уменьшается на единицу и уравнение правило фаз примет следующий вид:
С = К – Ф + 1 (2)
Число степеней свободы С (вариантность) показывает, сколько переменных могут изменяться в системе одновременно и независимо друг от друга, без изменения числа фаз, находящихся в равновесии.
Для случая, характеризуемого уравнением (2), таких переменных две – температура и концентрация.
Если С = 2 (система бивариантная), то в рассматриваемой области и температура, и концентрация могут изменяться независимо друг от друга. Это значит, что никаких превращений в сплаве не происходит (например, в жидком расплаве из двух компонентов С = 2 – 1 + 1 = 2).
Если С = 1 (система моновариантная), то это значит, что в данной области при изменении одного параметра (например, температуры сплава) одновременно по определенному закону изменяется и второй (концентрация). На кривой охлаждения будет наблюдаться перегиб (например, сплав из двух компонентов в области первичной кристаллизации будет иметь С = 2 – 2 + 1 = 1).
Если С = 0 (система нонвариатная), то это значит, что оба параметра (температура и концентрация) должны оставаться постоянными до окончания данного превращения. На кривой охлаждения будет наблюдаться горизонтальная площадка при температуре этого превращения (например, сплав из 2-х компонентов при эвтектических концентрациях и температуре будет иметь С = 2 – 3 + 1 = 0).
Виды твердых растворов.
При растворении компонентов друг в друге образуются твердые растворы. Получающийся при этом продукт представляет собой зерна, кристаллическая решетка которых построена из атомов обоих компонентов.
Если атомы растворимого компонента замещают в узлах решетки атомы компонента-растворителя, то образующийся раствор называется твердым раствором замещения. Такие растворы образуют компоненты с аналогичными типами кристаллических решеток при небольшой разнице их параметров.
Если растворимый компонент имеет очень малый атомный диаметр, то образуется твердый раствор внедрения. В этом случае энергозатраты на образование раствора оказываются меньшими, так как атомы растворимого компонента (например углерода в железе) размещаются в междоузлии ячейки кристаллической решетки растворителя, не вытесняя атомов растворителя из узлов решетки.
Основные виды диаграмм (5 видов).
В зависимости от взаимной растворимости и характера взаимодействия компонентов различают разные типы диаграмм состояния. Рассмотрим пять основных типов диаграмм.
Диаграмма состояния сплавов 1 рода, образующих механические смеси из чистых компонентов.
Оба компонента в жидком состоянии неограниченно растворимы, а в твердом состоянии нерастворимы (или ничтожно мало растворимы) и не образуют химических реакций. На этой диаграмме линия MBN – линия ликвидус (линия отделяющая жидкость), линия ДСЕ – линия солидус (линия отделяющая твердое состояние). Точки М и N – температуры плавления компонентов А и В. При охлаждении жидкого сплава х в интервале между линиями ликвидус и солидус от точки 1 и 2 происходит образование кристаллов компонента В. При достижении температуры t1, весь оставшийся жидкий сплав превращается в эвтектическую смесь, состоящую из кристаллов А и В с химическим составом, соответствующим точке С. Точка С называется эвтектической точной. При температуре t1 и концентрации, соответствующей точке С, до завершения кристаллизации система будет нонвариантной
(С=2-3+1=0).
Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (2 рода).
Линия M1N – линия ликвидус, линия М2N – линия солидус. Точки М и N – температуры плавления компонентов А и В. При охлаждении жидкого сплава в интервале температур между линиями ликвидус и солидус (от точки 1 до точки 2) происходит выпадение кристаллов твердого раствора α разного химического состава, изменяющегося от точки С до точки 2. При медленном охлаждении концентрация всех зерен твердого раствора выравнивается за счет диффузии между кристаллами. При охлаждении сплава в интервале кристаллизации от t1 до t2 система будет моновариантной (С=2-2+1=1).
Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (3 рода).
Линия МЕN – линия ликвидус, линия МДЕСN – линия солидус. Точка М и N – температура плавления компонентов А и В. Точка Д – максимальная растворимость компонентов В в компоненте А. Точка С – максимальная растворимость компонента А в компоненте В. Точка Е – эвтектическая точка. При охлаждении жидкого сплава этой концентрации до температуры t1 происходит одновременная кристаллизация твердых растворов α и β с образованием эвтектики, состоящей из кристаллов α и β. Согласно правилу фаз при температуре t1 до полного затвердевания эвтектического сплава система будет нонвариантной (С=2-3+1=0).
При медленном охлаждении твердого раствора α от температуры t1 до комнатной в связи с уменьшением растворимости из него будут выделяться субмикроскопические кристаллы твердого раствора β (вторичные).
Диаграмма состояния сплавов с перитектическим превращением (4 рода).
Линия МСN – линия ликвидус, линия МРDN – линия солидус. Точки М и N – температуры плавления компонентов А и В. Точка Р – перитектическая точка. Линия СРД (температура t1) – перитектическая линия. При охлаждении жидкого сплава с концентрацией F, соответствующей точке Р, ранее выпавшие кристаллы твердого раствора β плотностью реагирует с житкостью и превращаются в кристаллы α – твердого раствора.
При температуре t1 система также будет нонвариантной до завершения превращения (С=2-3+1=0).
В интервале концентраций между точками F и Е образуется структура из твердых растворов α и β, а между точками F и А структура сплава будет состоять из одной фазы α-твердого раствора.
Диаграмма состояния с устойчивыми химическими соединениями (5 рода).
Линии МЕ1СЕ2N – линия ликвидус, линия mnop – линия солиус. Точки М и N – температуры плавления компонентов А и В. Точка С – температура плавления химического соединения Аm Bn. Точки Е1 и Е2 – эвтектические точки.
Состав эвтектики Е1 будет А+АmBn, эвтектики Е2 - В+АmBn. При кристаллизации эвтектических сплавов система будет нонвариантной в обоих случаях (С=2-3+1=0). Диаграмма состояния с устойчивым химическим соединением может быть представлена и в других видах, где наряду с чистыми компонентами и одним химическим соединением могут быть и твердые растворы (ограниченные и неограниченные) и другие химические соединения.