Диаграмма состояния
Диаграмма состояния – это графическое изображение состояния любого исследуемого сплава в зависимости от его температуры и химического состава (концентрации).
На диаграмме состояния показываются устойчивые, равновесные состояния, то есть обладающие минимальной свободной энергией. Такие диаграммы имеют большое практическое и теоретическое значение, потому что изучение сплава начинается с построения и анализа диаграммы состояния для структурных составляющих и фаз сплава. С их помощью устанавливаются возможности проведения термической обработки, определение режимов термической обработки, определения температуры литья, пластической горячей деформации и т. п.
В абсолютно любой системе количество фаз, которые находятся в равновесии, зависит от внешних и внутренних условий. Закономерность изменений, которые происходят в системе, подчиняются закону Гиббса (правило фаз). Данным законом выражается зависимость между вариантностью (число степеней свободы), количеством фаз системы, а также к числом компонентов системы, находящихся в равновесии.
Вариантность – это количество внутренних и внешних факторов, которые можно изменять без изменения количества фаз в системе.
Построение диаграммы состояния может осуществляться различными методами. В большинстве случаев используется термический анализ, заключающийся в отборе сплавов исследуемой системы с разным соотношением масс, которые входят в состав компонентов. Для этого взяты сплавы помещаются в огнеупорные тигли и подвергаются нагреву в печи. После расплавления тигли охлаждаются, скорость охлаждения фиксируется. По полученным результатам строятся кривые охлаждения в координатах время-температура.
Температуры, которые соответствуют фазовым превращениям, - это критические точки. Точки начала процесса кристаллизации – это точки ликвидуса, а конца кристаллизации - точки солидуса. По критическим точкам различных сплавов строится диаграмма состояния, в ней:
- ось абсцисс – это концентрация компонентов,
- ось ординат – это температура.
Диаграмма состояния системы Cu-Ni
Сплав меди и никеля является твердым раствором второго типа. Компоненты этого сплава имеют одинаковую кристаллическую решетку в виде гранецентрированного куба, а также неограниченно растворимы в твердом и жидком состоянии. Взаимодействуя с друг другом они образовывают единую кристаллическую решетку. Пример диаграммы состояния системы медь-никель представлен на рисунке ниже.
Рисунок 1. Диаграмма состояния системы медь-никель. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Линия АВ является ликвидусом, то есть линией выше которой все сплавы системы находятся в жидком состоянии. Вогнутая линия АВ является солидусом, то есть линией ниже которой сплавы с любым химическим составом являются твердыми растворами. Между линиями солидуса и ликвидуса находятся одновременно твердый и жидкий растворы. Для того, чтобы дать характеристику определенного сплава при установленной температуре, сначала необходимо определить природу фаз, которые находятся в равновесии при этой температуре, их концентрацию (химический состав), а также относительное количество. Для этого используется правило отрезков. Проведем анализ диаграммы состояния медь-никель на примере изменения фазового состояния, которое происходит при снижении температуры в сплаве, состоящим из 28 % меди и 72 % никеля. При охлаждении рассматриваемого сплава из жидкого состояния ниже точки 1, которая лежит на точке линии ликвидуса, начинается процесс кристаллизации, заканчивающийся при достижении температуры в точке 2 на линии солидуса. В системе двух фаз количество степеней свободы может быть рассчитано по следующей формуле:
$С_{1-2} = 2-2+1=1$
Скорость охлаждения становится меньше, потому что процесс затвердевания сплава сопровождается тепловым эффектом, фазовые превращения могут быть выражены уравнением:
$Ж(t1-t2)=>a2.$
После окончания кристаллизации в состав структуры сплава входят зерна раствора а, с одинаковым составом. Однако, в процессе кристаллизации химический состав компонентов систем медь-никель постоянно изменяется. В жидком состоянии в растворе - по линии ликвидус от точки 1 до точки 2’. а в растущих кристаллах твердого состава а - по линии солидуса от точки 1’ до точки 2, как показано на рисунке ниже.
Рисунок 2. Диаграмма. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
По этой причине микроструктура литого сплава (представленного на рисунке ниже) имеет выраженную внутризеренную химическую неоднородность, которая называется дендритной ликвацией.
Рисунок 3. Микроструктура литого сплава. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Это способствует снижению коррозионной стойкости исследуемого сплава. Чтобы выровнять химический состав, для увеличения полезных свойств, литой сплав может быть подвержен процесс деформирования с последующим отжигом. В результате данной операции микроструктура становится более однородной.
Свойства сплава медь-никель обеспечиваются благодаря однофазной структуре, которая устойчива электрохимическому воздействию, поэтому нашел применение в химической промышленности. Также сплав используется для производства реостатных проволок и резисторов. Высокое электрическое сопротивление обеспечивается наличием в кристаллической решетке металла-растворителя.
