Теоретические сведения. Метод термического анализа широко используется для изучения превращений

Метод термического анализа широко используется для изучения превращений, происходящих в металлических системах (металлах и металлических сплавах). Он основывается на выявлении изменения состояния системы по характеру изменения температуры во времени в процессе охлаждения (или нагрева) с постоянной скоростью.

Для проведения термического анализа отбирают несколько сплавов исследуемой системы с различным соотношением концентрации входящих в них компонентов. Сплавы помещают в огнеупорные тигли и доводят до плавления. Затем тигли со сплавами медленно охлаждают и фиксируют температуру и время. По экспериментальным данным строят термические кривые в координатах «температура – время» – кривые охлаждения.

При равномерном охлаждении системы, в которой отсутствуют фазовые превращения (химические реакции считаются исключенными), кривая охлаждения будет иметь плавный (монотонный) характер. Фазовые переходы, происходящие в системе в изобарных условиях, приводят к изменению энтальпии системы и в соответствии с первым законом термодинамики сопровождаются тепловым эффектом. При этом ход термической кривой меняется: на ней появляются перегиб или температурная остановка. Температуры, соответствующие фазовым превращениям, называются критическими точками. Появление перегиба на кривой охлаждения свидетельствует о превращении в интервале температур (между линиями ликвидус и солидус) - моновариантное равновесие. Если на кривой охлаждения появляется температурная остановка, это означает, что превращение происходит при постоянной температуре т. е. в условиях нонвариантного равновесия.

Таким образом, в результате измерений получают серию кривых охлаждения, на которых при температурах фазовых превращений наблюдаются точки перегиба и температурные остановки (рисунок 2.1). Точки 1 на кривой охлаждения, отвечающие началу кристаллизации, называются точками ликвидус, точки 2, соответствующие концу кристаллизации, – точками солидус.

Рисунок 2.1 – Построение диаграммы состояния системы
двухкомпонентных сплавов по кривым охлаждения

По полученным кривым охлаждения (критическим точкам) для различных сплавов изучаемой системы строят диаграмму состояния в координатах: температура (ось ординат) – концентрация компонентов (ось абсцисс).

На рисунке 2.1 показано построение диаграммы состояния системы двухкомпонентных сплавов, компоненты которых растворимы в жидком и не растворимы в твердом состоянии (например, система Рв – Sb). Для построения диаграммы состояния критические точки кривых охлаждения сплавов (точки ликвидус и солидус) переносятся в систему координат «температура – концентрация». Соединив точки ликвидус и точки солидус линиями, получим линии диаграммы состояния.

Геометрическое место точек ликвидус образует линию «ликвидус – начало кристаллизации сплавов». Геометрическое место точек солидус образует линию «солидус – конец кристаллизации сплавов». Выше линии ликвидус сплавы находятся в жидком состоянии, а ниже линии солидус – в твердом. Между линиями ликвидус и солидус в период кристаллизации сплавы состоят из жидкой и твердой фаз.

Особенностью кристаллизации сплавов этой системы является то, что она происходит в интервале температур (между линиями ликвидус и солидус), а при достижении определенной температуры (эвтектической) продолжается при постоянной температуре. Подобный ход кристаллизации наблюдается во всех сплавах системы за исключением сплава III состава Х_Е (эвтектического), кристаллизация которого происходит при постоянной температуре подобно кристаллизации чистых компонентов.

Таким образом, диаграмма состояния, приведенная на рисунке 2.1, показывает состояние сплавов определенной системы, т. е. данной пары компонентов при любом их соотношении и любой температуре.

Диаграммы состояния, построенные по экспериментальным данным, не отвечают состоянию истинного равновесия, так как получены в условиях реальных скоростей охлаждения. Однако они качественно согласуются с диаграммами состояния, полученными исходя из термодинамических условий равновесия фаз, и поэтому к ним можно применять общие условия равновесия фаз.