Диаграммы состояния сплавов

Фазовый состав сплавов

Практически все металлы в жидком состоянии растворяются, образуя жидкий раствор. При затвердевании такого раствора могут образовываться:

1. Механическая смесь различных фаз.
2. Твердый раствор.
3. Химическое соединение.

Твердый раствор представляет собой однофазную систему, где одна из составляющих образовывает собственную кристаллическую решетку, а второй компонент присутствует в виде отдельных атомов, то есть собственной кристаллической решетки у него нет. В данном случае компонент с собственной кристаллической решетки называется растворителем, а второй растворенным компонентом. Твердые растворы делятся на растворы внедрения и замещения. В растворах внедрения атомы растворенного компонента располагаются в порах кристаллической решетки растворителя. К особенностям данных растворов относятся ограниченность растворимости и малый радиус атомов растворенного компонента. В растворах замещения атомы растворенного компонента замещают атомы растворителя в узлах кристаллической решетки. Главная особенность такого раствора - неограниченная растворимость и при этом атомы растворенного вещества могут полностью замещать атомы растворителя при определенных условиях, в противном случае происходит накопление упругой энергии и значительный искажения кристаллической решетки.

Химическое соединение образуется при определенных условиях. К их особенностям относятся образование новой кристаллической решетки, определенная температура плавления, получившееся соединение обладает кардинально новыми свойствами. Когда компоненты сплава не способны к взаимному растворению и не взаимодействуют с друг другом, то образуется механическая смесь различных фаз. Получившей материал будет состоять из зерен различной структуры, свойств и состава.

При строго определенных условиях из жидкого раствора одновременно может кристаллизоваться два и более компонентов. Результатом этого является образование механической смеси двух фаз или эвтектики. Она имеет определенный химический состав и образуется при постоянной температуре. В большинстве случаев у зерен эвтектики пластинчатое строение.

Методы построения диаграмм состояния сплавов

Свойства сплава зависят от ряда факторов, однако, в первую очередь они определяются фазовым составом и соотношением фаз. Данную информацию можно получить благодаря анализу диаграммы состояния сплава, которая строится экспериментально.

Благодаря диаграмме состояния сплава можно представить процесс формирования структуры абсолютно любого сплава и выбрать режимы литья, обработки давлением или термической обработки. Ее построение возможно благодаря тому факту, что фазовое превращение сплава сопровождается тепловым эффектом или изменением различных свойств, таких как удельный объем, электрическое сопротивление и т. п. В большинстве случаев диаграмма состояния сплава строится посредством метода термического анализа. При данном методе строятся кривые охлаждения, для которых координатами являются температура по оси X и время по оси У. По перегибам и остановкам, причиной которых является тепловой эффект определяются температуры превращений или критические температуры. После этого строятся диаграммы состояния, в которых координатами являются температура и химический состав. Она строится для условий равновесия:

1. Медленное охлаждение.
2. Длительный нагрев.

При вышеперечисленных условиях систем имеет минимальное значение свободной энергии. Но как правило, сплавы находятся в метастабильном состоянии, характеризующееся, в большинстве случаев, повышенными механическими свойствами. Чтобы была возможность управлять свойствами и структурой сплавов, необходимо изучить природу метастабильных состояний и на основе полученных данных разработать режим обработки сплава, с целью получения неравновесных состояний. Для решения такой задачи необходимо знать диаграмму состояния сплава.

К особенностям кристаллизации различных фаз относятся:

1. Твердые растворы сплавов могут кристаллизоваться в интервале температур - две точки фазового превращения: температура начала процесса кристаллизации и его окончания, в данном случае на кривой охлаждения сплава отмечается перегиб.
2. Чистые составляющие сплава, химические соединения и эвтектика кристаллизуется при постоянной температуре, то есть всего одна критическая точка температуры, в данном случае на кривой охлаждения сплава отмечается горизонтальный участок.