Диаграмма состояния сплавов
Диаграмма состояния сплава – это графическое изображение, которое отображает зависимость состояния сплава от его температуры и химического состава (концентрации).
По диаграмме состояния можно установить, какие превращения происходят в сплавах при их охлаждении или нагреве, а также определить температуру, при которой произойдет затвердевание. Такие диаграммы строятся экспериментальным путем по результатам термического анализа, изучения структуры сплава в твердом состоянии, а также физических методов исследований. Существуют следующие виды диаграмм состояния сплавов:
- Диаграммы состояния сплавов, которые образуют неорганические твердые растворы.
- Диаграммы состояния сплавов, которые образуют неорганические твердые сплавы и перитектику.
- Диаграммы состояния сплавов, которые образуют органические твердые растворы.
Смесь кристаллов в сплаве называется эвтектической смесью или эвтектикой в том случае, когда она выкристаллизовывается из жидкости при температуре, которая ниже, чем температура плавления отдельных составляющих, которые образуют данный сплав. Если новая фаза образуется в результате расплавления (растворения) старой фазы в жидкости, то сплав называется перитектическим, а температура перитектической.
Химический состав – это совокупность химических элементов (в определенном процентном содержании), присутствующих в материале.
На рисунке ниже изображен пример диаграммы состояния железо - углерод.
Рисунок 1. Диаграмма состояния железо - углерод. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
На данной диаграмме наблюдаются следующие основные линии:
- Линия ликвидуса (АСD), показывающая температуру при которой начинается затвердевание белых чугунов и сталей.
- Линия солидуса (ARCF), которая показывает температуру конца затвердевания.
Анализ диаграммы состояния сплавов
Диаграммы состояния позволяет выполнять анализ состояния сплавов, который заключается в определении фазового состава, химического состава фазы. Методика такого анализа отличается в однофазных и двухфазных областях. Рассмотрим диаграмму состояния сурьма - свинец, которая изображена на рисунке ниже.
Рисунок 2. Диаграмма состояния сурьма – свинец. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В однофазных областях вес фазы равняется весу сплава, а химический состав соответствует химическому составу сплава. При температуре t1 сплав I находится в жидком состоянии - имеет однофазную структуру. Состав сплава и жидкости определяется при помощи проекции точки а на ось химического состава/концентрации (сурьма 72 %, свиней 28 %). Вес сплава равен весу жидкости.
Однако, таким способом нельзя пользоваться в случае анализа сплавов в двухфазных областях, потому что при изменении температуры химический состав фаз и их масса не остаются постоянными. В процессе кристаллизации доэвтектических сплавов в системе сурьма - свинец в случае уменьшения температуры от линии ликвидуса до линии солидуса изменяется химический состав жидкости. В этой жидкости увеличивается количество свинца, благодаря выделению из жидкости сурьмы, масса жидкости в данном случае становится меньше, а масса твердой фазы становится больше, но при этом масса фаз в сумме остается постоянной и равняется массе сплава. Анализ состояния сплавов выполняется следующим образом. Через точку b, которая характеризует положение сплава на диаграмме, проводят коноду, представляющую собой изотерму или горизонтальную линию, которая проводится внутри двухфазной области диаграммы состояния до пересечения с линиями границ двухфазной области. На рассматриваемой диаграмме точка с - пересечение коноды с границей однофазной области, где существует жидкая фаза, точка d - твердая фаза.
В рассматриваемом случае состав сплава при данной температуре определяется фазами однофазных областей, пересекающихся с конодой. В нашем случае фазовый состав сплава - сурьма (точка d) и жидкость (точка с). Концентрация (химический состав) фаз соответствует проекциям точек пересечения коноды и линий диаграммы состояния на ось концентраций. Каждая проекция отображает состав той фазы, которая граничит с точкой пересечения. Точка с’ определяет химический состав компонентов в жидкой фазе (сурьма - 44 %, свиней - 56 %), точка d’ определяет концентрацию компонентов твердой фазы (чистый свинец). Получается, что линия ликвидуса, в рассматриваемой диаграмме, является линией насыщения. Данная линия показывает предельную растворимость компонентов в жидкости при установленной температуре. Массы фазы определяются по правилу рычага. В любой точке диаграммы, то есть при любой температуре, суммарная масса сплава соответствует отрезку cd - длине коноды. Число соответствующей фазы может определяться противолежащим отрезком: масса твердой фазы - отрезок cb, масса жидкости - отрезок bd.
