Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии.

Кристаллизация металлов.

Все металлы могут находиться в твердом, жидком или в газообразном состояниях. Переход из твердого состояния в жидкое происходит при определенной температуре плавления, переход из жидкого состояния в газообразное происходит при температуре кипения. Эти температуры зависят от давления. Температура плавления является одной из важнейших характеристик металла.

Процессы нагрева или охлаждения, при которых происходит переход металла из одного состояния в другое, связаны с получением или потерей тепла. Все превращения в природе, протекающие самопроизвольно, вызываются стремлением системы к переходу из неустойчивого состояния в более устойчивое, обладающее меньшим запасом свободной энергии.

С изменением температуры свободная энергия для жидкого и твердого (кристаллического) состояния изменяется различно. Но для каждого металла есть такая температура, при которой свободные энергии жидкого и твердого состояний равны, металл в обоих состояниях находится в равновесии. Эта температура и называется теоретической температурой кристаллизации.

Процесс образования кристаллов состоит из двух одновременно протекающих стадий: появления зародышей - устойчивых центров кристаллизации и роста кристалликов вокруг этих центров.

Сначала каждый кристаллик в жидкости растет свободно, сохраняя правильную геометрическую форму. Так как одновременно образуется много кристаллических центров и рост кристалликов идет по всем направлениям, то смежные кристаллы, увеличиваясь, начинают непосредственно соприкасаться друг с другом и правильная форма их нарушается. В результате кристалл приобретает округленную форму, напоминающую зерно. Такие кристаллы принято называть кристаллитами, или зернами.

В зависимости от условий затвердевания зерна могут быть крупными, хорошо различимыми невооруженным глазом, и мелкими, которые можно рассмотреть только при помощи металлографического микроскопа.

 

Температурный гистерезис

 

Температура, при которой термодинамические потенциалы вещества в твердом и жидком состояниях равны, называется равновесной температурой кристаллизации. Кристаллизация происходит в том случае, если термодинамический потенциал вещества в твердом состоянии будет меньше термодинамического потенциала вещества в жидком состоянии, т.е. при переохлаждении жидкого металла до температур ниже равновесной. Плавление — процесс, обратный кристаллизации, происходит при температуре выше равновесной, т.е. при перегреве. Разница между реальными температурами плавления и кристаллизации называется температурным гистерезисом.

 

Степень переохлаждения

Практически процесс кристаллизации металлов происходит при температуре ниже теоретической температуры кристаллизации, т. е. при некоторой фактической температуре кристаллизации.

Охлаждение жидкого металла ниже теоретической температуры кристаллизации носит название явления переохлаждения. Разность между теоретической и фактической температурами кристаллизации называется степенью переохлаждения.

Процесс кристаллизации, т. е. переход из жидкого состояния в твердое, изображается кривыми охлаждения, которые строятся в координатах температура — время (рис. 1).

(рис. 1)

1 — теоретическая кривая кристаллизации металлов; 2 — кривая кристаллизации металла с переохлаждением; 3 — кривая охлаждения с петлей; 4 — кристаллизация неметалла

Жидкий металл при охлаждении не испытывает качественных изменений: кривая охлаждения идет плавно. При достижении теоретической температуры кристаллизации на кривой охлаждения появляется горизонтальная площадка, так как отвод тепла компенсируется выделяющейся при кристаллизации скрытой теплотой кристаллизации. Когда закончится процесс кристаллизации, кривая охлаждения снижается опять плавно.

У некоторых металлов как, например, у сурьмы, из-за большого переохлаждения скрытая теплота кристаллизации выделяется настолько бурно, что температура скачкообразно повышается и приближается к теоретической температуре кристаллизации. Процесс кристаллизации имеет важное значение, так как все превращения определяют структуру металла, а следовательно, и его свойства.

В жидком металле происходит непрерывное движение атомов. С понижением температуры движения атомов замедляются. Они начинают сближаться, группироваться, образуя зародыши или центры кристаллизации. Процесс образования этих зародышей идет непрерывно, но наряду с ним происходит и процесс роста образовавшихся кристаллов.

Число центров кристаллов, зарождающихся в единицу времени (1 мм3/сек), и скорость кристаллизации (мм/сек) зависят от степени переохлаждения. При небольшом переохлаждении образуется малое количество крупных кристаллов, при большом — образуется значительное количество мелких кристаллов. Это находит место в практике литейного производства: при литье тонкостенных деталей получается мелкозернистая структура, а при литье деталей с толстыми стенками — крупнозернистая.

 

 

Правило отрезков

Правило отрезков применяется для двухфазных областей диаграммы. С помощью правила отрезков можно для сплавов постоянного химического состава определить при изменении температуры:

1. Весовое соотношение между фазами.

2. Изменение химического состава фаз.

Кристаллизация металлов.

Все металлы могут находиться в твердом, жидком или в газообразном состояниях. Переход из твердого состояния в жидкое происходит при определенной температуре плавления, переход из жидкого состояния в газообразное происходит при температуре кипения. Эти температуры зависят от давления. Температура плавления является одной из важнейших характеристик металла.

Процессы нагрева или охлаждения, при которых происходит переход металла из одного состояния в другое, связаны с получением или потерей тепла. Все превращения в природе, протекающие самопроизвольно, вызываются стремлением системы к переходу из неустойчивого состояния в более устойчивое, обладающее меньшим запасом свободной энергии.

С изменением температуры свободная энергия для жидкого и твердого (кристаллического) состояния изменяется различно. Но для каждого металла есть такая температура, при которой свободные энергии жидкого и твердого состояний равны, металл в обоих состояниях находится в равновесии. Эта температура и называется теоретической температурой кристаллизации.

Процесс образования кристаллов состоит из двух одновременно протекающих стадий: появления зародышей - устойчивых центров кристаллизации и роста кристалликов вокруг этих центров.

Сначала каждый кристаллик в жидкости растет свободно, сохраняя правильную геометрическую форму. Так как одновременно образуется много кристаллических центров и рост кристалликов идет по всем направлениям, то смежные кристаллы, увеличиваясь, начинают непосредственно соприкасаться друг с другом и правильная форма их нарушается. В результате кристалл приобретает округленную форму, напоминающую зерно. Такие кристаллы принято называть кристаллитами, или зернами.

В зависимости от условий затвердевания зерна могут быть крупными, хорошо различимыми невооруженным глазом, и мелкими, которые можно рассмотреть только при помощи металлографического микроскопа.

 

Температурный гистерезис

 

Температура, при которой термодинамические потенциалы вещества в твердом и жидком состояниях равны, называется равновесной температурой кристаллизации. Кристаллизация происходит в том случае, если термодинамический потенциал вещества в твердом состоянии будет меньше термодинамического потенциала вещества в жидком состоянии, т.е. при переохлаждении жидкого металла до температур ниже равновесной. Плавление — процесс, обратный кристаллизации, происходит при температуре выше равновесной, т.е. при перегреве. Разница между реальными температурами плавления и кристаллизации называется температурным гистерезисом.

 

Степень переохлаждения

Практически процесс кристаллизации металлов происходит при температуре ниже теоретической температуры кристаллизации, т. е. при некоторой фактической температуре кристаллизации.

Охлаждение жидкого металла ниже теоретической температуры кристаллизации носит название явления переохлаждения. Разность между теоретической и фактической температурами кристаллизации называется степенью переохлаждения.

Процесс кристаллизации, т. е. переход из жидкого состояния в твердое, изображается кривыми охлаждения, которые строятся в координатах температура — время (рис. 1).

(рис. 1)

1 — теоретическая кривая кристаллизации металлов; 2 — кривая кристаллизации металла с переохлаждением; 3 — кривая охлаждения с петлей; 4 — кристаллизация неметалла

Жидкий металл при охлаждении не испытывает качественных изменений: кривая охлаждения идет плавно. При достижении теоретической температуры кристаллизации на кривой охлаждения появляется горизонтальная площадка, так как отвод тепла компенсируется выделяющейся при кристаллизации скрытой теплотой кристаллизации. Когда закончится процесс кристаллизации, кривая охлаждения снижается опять плавно.

У некоторых металлов как, например, у сурьмы, из-за большого переохлаждения скрытая теплота кристаллизации выделяется настолько бурно, что температура скачкообразно повышается и приближается к теоретической температуре кристаллизации. Процесс кристаллизации имеет важное значение, так как все превращения определяют структуру металла, а следовательно, и его свойства.

В жидком металле происходит непрерывное движение атомов. С понижением температуры движения атомов замедляются. Они начинают сближаться, группироваться, образуя зародыши или центры кристаллизации. Процесс образования этих зародышей идет непрерывно, но наряду с ним происходит и процесс роста образовавшихся кристаллов.

Число центров кристаллов, зарождающихся в единицу времени (1 мм3/сек), и скорость кристаллизации (мм/сек) зависят от степени переохлаждения. При небольшом переохлаждении образуется малое количество крупных кристаллов, при большом — образуется значительное количество мелких кристаллов. Это находит место в практике литейного производства: при литье тонкостенных деталей получается мелкозернистая структура, а при литье деталей с толстыми стенками — крупнозернистая.

 

 

Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии.

В зависимости от температуры, концентрации и видов взаимодействия компонентов, сплавы имеют различное состояние и структуру. Информация о состоянии и структуре сплавов просто и сжато может быть представлена в виде диаграммы состояния - графического изображения состояния сплавов в зависимости от температуры и концентрации компонентов.

Строится диаграмма состояния различными методами: по кривым охлаждения сплавов, измерениям удлинения образца из сплава при охлаждении, наблюдением микроструктуры, рентгеновским методом и др.

Если для двухкомпонентного сплава диаграмму строят по кривой охлаждения, то готовят серию образцов, в которых за 100% принимается все вещество образца, а соотношение компонентов изменяется от 100% компонента А и 0% Б до 0% А и 100% Б. Далее для каждого сплава строят кривую охлаждения от жидкого состояния до твердого, при этом фиксируют температуру, при которой меняется состояние сплава.

После охлаждения сплавов проводится металлографический, рентгеноструктурный и другие анализы для выяснения структуры и фазового состава в твердом состоянии. Затем результаты сводятся в одну графическую зависимость - диаграмму состояния в координатах температура - концентрация компонентов.

На диаграмме показана не только температура перехода сплава из твердого в жидкое состояние и наоборот, но и какие структуры имеются в сплавах до температуры плавления.

Линия, выше которой сплавы находятся только в жидком состоянии, называется линией ликвидуса.

Линия, ниже которой сплавы находятся только в твердом состоянии, называется солидус.

 

 

Диаграмма с полной нерастворимостью компонентов в твердом состоянии (механических смесей или диаграмма I рода)

 

Механические смеси компонентов сплава в твердом состоянии образуются, если компоненты не растворяются друг в друге и не вступают в химическую реакцию.

 

 

Основные линии диаграммы:

abc – линия ликвидус – геометрическое место точек начала кристаллизации сплавов различного химического состава: Выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии. L – liquid.

dbс – линия солидус – геометрическое место точек конца процесса кристаллизации; Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии.

abd – двухфазное состояние сплавов – происходит процесс кристаллизации компонента А.

bce - двухфазное состояние сплавов – происходит процесс кристаллизации компонента В.

Точка b – точка эвтектики; x_b – эвтектический состав для данной пары компонентов.

Сплавы и структуры, образующиеся до точки b на диаграмме, называются доэвтектическими.

Сплавы и структуры, образующиеся в точке b на диаграмме, называются эвтектическими.

Сплавы и структуры, образующиеся за точкой b на диаграмме, называются заэвтектическими.

Для всех сплавов - доэвтектических и заэвтектических - микроструктура содержит эвтектику в том или ином количестве. Поэтому, линию dbс называют линией эвтектического превращения.

Для сплавов, образующих механическую смесь, характерна ликвация. Ликвация - химическая неоднородность по удельному весу. Она проявляется при большой разнице в удельном весе. При медленном охлаждении более тяжелый компонент оседает на дно.

Примером систем сплавов с практической нерастворимостью компонентов в твердом состоянии являются сплавы: Al - Si, Pb – Sb.