Диаграммы состояния двойных сплавов.

3.1. Понятия фазы, компонента, системы. Определения твердых растворов, химических соединений, механических смесей. Правило фаз.

3.2. Построение диаграмм состояния. Эвтектическая кристаллизация. Правила отрезков.

3.3. Диаграмма состояния системы с полной растворимостью компонентов в твердом состоянии.

3.4. Диаграмма состояния системы с ограниченной растворимостью компонентов.

3.5. Диаграмма состояния с химическим соединением.

3.6. Связь между структурой и свойствами сплавов.

 

Понятия фазы, компонента, системы. Определения твердых растворов, химических соединений, механических смесей.

 

Сплав – вещество, полученное сплавлением двух или более элементов.

Сплав, приготовленный преимущественно из металлических элементов и обладающий металлическими свойствами, называется металлическим сплавом. Составляющие сплав вещества могут образовывать:

1. механические смеси – когда компоненты не способны к взаимному растворению и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения. Рентгенограмма показывает наличие двух решеток. Свойства А и В в сплаве тождественны свойствам чистых металлов А и В.

2. химическое соединение. При образовании химического соединения:

- соотношение чисел атомов элементов соответствует стехиометрической пропорции, что может быть выражено простой формулой (A_nB_m),

- образуется кристаллическая решетка отличная от решеток А и В с упорядоченным расположением в ней атомов компонентов. При образовании химического соединения металлов возникает металлическая связь, металла с неметаллом – ионная связь.

3. твердый раствор – твердая фаза, в которой один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других (или другого компонентов) располагаются в решетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры (периорды). Химический анализ показывает наличие двух элементов. Рентгеновский обнаруживает один тип кристаллической решетки.

В отличие от механической смеси твердый раствор является однофазным, состоит из одного вида кристаллов, имеет одну кристаллическую решетку.

В отличие от химического соединения твердый раствор существует не при строго определенном соотношении компонентов, а в интервале концентраций.

Существуют твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения.

При образовании твердых растворов замещения периоды решетки изменяются в зависимости от разности атомных диаметров А и В. Изменение параметров решетки при образовании твердых растворов важный момент, определяющий изменение свойств. В общем, относительное упрочнение пропорционально относительному изменению параметра решетки, при чем уменьшение параметра решетки ведет к большему упрочнению, чем ее расширение.

При образовании твердых растворов внедрения периоды решетки увеличиваются. Диаметр атома растворенного элемента должен быть невелик. Металлы образуют твердые растворы внедрения с элементами I группы (H, N, C).

Твердые растворы замещения могут быть:

неограниченные при условиях:

- наличия у обоих компонент одинаковых кристаллических решеток,

- малое различие атомных размеров компонентов,

- близкое расположение в Периодической системе Менделеева.

ограниченные при несоблюдении этих условий. Растворимость тем меньше, чем больше различия в атомных радиусах и свойствах компонентов. В большинстве случаев растворимость уменьшается с падением температуры.

В обычных твердых растворах атомы растворенного элемента распределяются в решетке растворителя беспорядочно, однако при известных условиях атом занимают определенные места в узлах решетки, т.е. переходят в упорядоченное расположение – упорядоченный твердый раствор. Например: Cu₃Au. Атомы Au все угловые, а Cu – центрирующие грани. Cu₃Au – упорядоченный твердый раствор – образуется при медленном охлаждении.

Твердые растворы на базе химических соединений, образование которых сопровождается появлением пустых мест в узлах решетки, называются растворами вычитания. Например: борид железа (Fe₄B₂) способен растворить Cr и С, при чем Cr заменяет Fe, а C заменяет В. Соотношение (Fe + Cr)/(В + С) = 4/2. Такой раствор обозначается (Fe, Cr)₄(В + С)₂ или М₄Х₂. Образование твердого раствора сопровождается не только заменой, но и тем, что отдельные узлы в решетке оказываются не занятые атомами («пустые»).

Система – совокупность фаз в сплаве, находящихся в состоянии стабильного либо метастабильного равновесия.

В металловедении системами являются металлы и металлические сплавы. Чистый металл является простой однокомпонентной системой, сплав – сложной системой, состоящей из двух и более компонентов.

Компонентами (k)называются вещества, образующие систему.

Фазой (f) называется однородная часть системы, отделенная от других частей системы (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура вещества изменяется скачком.

Число степеней свободы (с)– число внешних и внутренних факторов (температура, давление, концентрация), которые можно изменять без изменения числа фаз в системе.

Правило фаз (при условии, что все превращения в металле происходят при постоянном давлении):

с = k – f + 1

Если с=0, то система нонвариантная, то есть любое изменение внешних факторов приведет к изменению числа фаз в системе.

Если с=1 – система моновариантная, то есть если изменяется температура, то изменяется и концентрация компонентов в фазах.

3.2. Построение диаграмм состояния. Эвтектическая кристаллизация.
Правила отрезков.

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния сплава. Показывает устойчивые состояния, то есть с минимальной свободной энергией, представляет собой теоретический случай, а в практике используется для рассмотрения превращений при малых скоростях нагрева или охлаждения.

 

Экспериментальное построение диаграмм

Построение диаграмм состояния наиболее часто осуществляется при помощи термического анализа.

В результате получают серию кривых охлаждения, на которых при температурах фазовых превращений наблюдаются точки перегиба и температурные остановки.

Температуры, соответствующие фазовым превращениям, называют критическими точками.

Начинается охлаждение, и температуру отмечают через определенные промежутки времени. Имея достаточное количество сплавов, и определив в каждом сплаве температуру превращений, можно построить диаграмму состояний.

Для более точного построения диаграммы состояния в дополнении к термическому методу структуру сплавов разного состава и по разному обработанных термически, изучают с помощью микроскопа, рентгеновских лучей; измеряют разнообразнейшие физические свойства сплавов и т.д.

Диаграммы состояния позволяют определить какую структуру будут иметь медленно охлажденные сплавы, а также решить вопрос о том, можно ли добиться изменение микроструктуры в результате термической обработки сплавов (поскольку технологические и эксплуатационные свойства сплавов тесно связаны с их микроструктурой).

Вид диаграммы определяется характером взаимодействий, которые возникают между компонентами в жидком и твердом состояниях.

Диаграмма состояния для сплавов, образующих механические смеси
из чистых компонентов (I рода)

Оба компонента в жидком состоянии неограниченно растворимы, а в твердом состоянии нерастворимы и не образуют химических соединений.

Компоненты: вещества А и В (k =2).

Фазы: жидкость L, кристаллы А, кристаллы В (максимально f = 3).

Механическая смесь двух (или более) видов кристаллов, одновременно кристаллизовавшихся из жидкости называется эвтектикой (то есть легкоплавящаяся – греч.)

Структура состояния доэвтектического сплава: А + эвт (А + В), заэвтектического: В + эвт (А + В), эвтектического А+В.

 

Правило отрезков

Первое положение	Чтобы определить концентрации компонентов в фазах, через данную точку, характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими данную область; проекции точек пересечения на ось концентраций показывают составы фаз
Второе положение	Для того чтобы определить количественное соотношение фаз, через заданную точку проводят горизонтальную линию. Отрезки этой линии между заданной точкой и точками, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз.

Рассмотри сплав состава а при температуре t1

1. Концентрация компонента В в расплаве при указанной температуре определяется по точке в.

2. Количество жидкости:

Кол-во кристаллов В: