Типы двухкомпонентных диаграмм состояния
Диаграмма состояния – это графическое изображение превращений, которые протекают в сплавах в зависимости от температуры и химического состава компонентов.
Компонент сплав – это химический элемент либо химическое соединение, входящее в состав сплава
Выбор компонентов, при помощи которых будет описываться система, обусловлен требованиями и удобством описания. В большинстве случаев в качестве такого компонента выступают атомы определенного сорта. В некоторых случаях таким компонентами могут быть изотопы или оксиды в системах силикатов, когда количество кислорода находится в строгой зависимости от количества металлов.
Превращения в сплавах при охлаждении или нагреве зависят от того, какие образуются при этом фазы. Фаза представляет собой однородную систему, которая отделена от других частей поверхностью раздела. Система может состоять из одного или нескольких компонентов. Существуют четыре основных типа двухкомпонентных диаграмм состояния:
- Твердый раствор с неограниченной растворимостью.
- Твердый раствор с ограниченной растворимостью.
- Механическая смесь.
- Химическое соединение.
Диаграммы состояния строятся в двух измерениях. По оси ординат откладывается температуры, а по оси абсцисс - химический состав компонентов. Суммарное содержание двухкомпонентного сплава в абсолютно любой точке абсцисс равняется 100 %, при этом ординаты соответствуют чистым компонентам. Любая точка на диаграмме состояния показывает состояние сплава данной концентрации при данной температуре.
Любые изменения в двухкомпонентной системе, которые происходят в зависимости от внешних условий, подчиняются правилу фаз, которое устанавливает зависимость между количеством компонентов и числом степеней свободы в системе - вариантность. Вариантность является числом внутренних и внешних факторов (давление, химический состав, температура), которые возможно изменить без изменения числа фаз рассматриваемой системы. При постоянном давлении для металлических систем правило фаз выражается следующим образом:
$С = К + 1 - Ф$
где: С - число степеней свободы системы; К - количество компонентов, которые образуют систему; Ф - количество фаз, которые находятся в равновесии; 1 - число переменных факторов.
При процессе затвердевания чистого металла (К = 1, Ф = 2) система является безвариантной (нонвариантной), потому что согласно ранее приведенной формуле С=0. Таким образом в данной системе нельзя изменять произвольно внешний фактор, например, температуру, не изменяя равновесия и количество фаз системы. Чистый расплавленный металл (Ф = 1 и К = 1) представляет собой одновариантную систему с единственной степенью свободы (С = 1). Если сохранить металл в жидком состоянии, то в определенных пределах системы (выше точки плавления) можно изменять температуру, при этом не изменяя числа фаз и равновесия рассматриваемой системы. В том случае, когда двухкомпонентная система находится в расплавленном состоянии (К = 2, Ф = 1), то имеются две степени свободы (С = 2), то есть система является двухвариантной. В данном случае существуют различные температуры и концентрации, при которых никак не изменяется число фаз и равновесие системы. Для данной системы в случае наличия двух фаз (твердая и жидкая), К = 2, Ф = 2, а С = 1, то есть с изменением температуры химический состав должен быть строго определенным.
Диаграмма состояния механической смеси
При диаграмме механической смеси кристаллизуются сплавы, в которых оба компонента неограниченно растворимы друг в друге в жидком состоянии, а в твердом образуют механическую смесь. Диаграмма состояния строится на основании кривых охлаждения, причиной которого является тепловой эффект превращения.
Рассмотрим такую систему, как свинец - сурьма, и для шести ее сплавов построим кривые охлаждения, изображенные на рисунке ниже.
Рисунок 1. Кривые охлаждения. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Здесь: а - кривые охлаждения; б - диаграмма состояния; 1 - 100% свинца; 2 - 95 % свинца и 5 % сурьмы; 3 - 90 % свинца и 10 сурьмы; 4 - 87 % свинца и 13 % сурьмы; 5 - 60 % свинца и 40 % сурьмы; 6 - 100 % свинца.
У чистых металлов одна критическая точка - температура кристаллизации (затвердевания), а у сплавов - две, вторая точка для всех сплавов соответствует температуре 246 градусов по Цельсию. При данной температуре состав жидкой фазы всех сплавов одинаковый. Это происходит, так как процесс затвердевания сплавов, которые содержат 5 и 10 % свинца, начинается с выделения кристаллов чистого свинца, а сплава с 40 % сурьмы с выделения кристаллов чистой сурьмы. В первом случае оставшийся жидкий сплав теряет свинец, но обогащается сурьмой, во втором случае происходит обратный процесс. Когда достигается температура в 246 градусов по Цельсию из жидкой фазы одновременно происходит выделение кристаллов сурьмы и свинца, тем самым образуя механическую смесь. Если такая смесь кристаллов двух видов одновременно кристаллизуется из жидкого сплава при постоянной температуре, то она называется эвтектикой.
Чтобы построить такую диаграмму (см. рисунок выше) на оси абсцисс сначала откладывают концентрации шести сплавов, потом восстанавливают из получившихся точек вертикальные линии. После этого переносят критические точки из кривых охлаждения, посредством их соединения получают диаграмму состояния.
Кривая АОВ соответствует температуре, при которой начинается кристаллизация сплавов, а СОД - температуре окончания этого процесса. Сплавы, в которых содержится менее 13 % свинца являются доэвтектическими, а более 13 % - эвтектическими. В точке О образуется сплав эвтектической концентрации.
