), имеющий одинаковый состав, строение, единственный агрегатное состояние и отделена от остальных частей системы поверхностью раздела.

Например, жидкий металл - это однофазная система, а смесь двух видов различных по составу и строению металлов, разделенных поверхностью раздела или одновременное присутствие сплава в жидком состоянии и кристаллов образует двухфазную систему.

В сплавах могут образовываться следующие фазы:

Графическое изображение линий сосуществования фаз в зависимости от термодинамических параметров носит название "Фазовая диаграмма" .

1. Жидкий раствор

Жидкие растворы - вполне однородные смеси из двух (или нескольких) веществ, в которых молекулы одного вещества равномерно распределены между молекул друг вещества.

2. Твердый раствор

Твердыми растворами называют фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы другого компонента размещаются в кристаллической решетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры.

4. Промежуточные соединения

Значительное количество соединений, образуется в сплавах металлов не подчиняется законам валентности и не имеет устойчивого соотношения компонентов. Важнейшие промежуточные соединения, образующиеся в сплавах следующие:

• фазы укоренения;
• электронные соединения;
• гетерогенные структуры.

4.1. Фазы укоренения

Упомянутые выше твердые растворы укоренения образуются при значительно меньших концентрациях второго компонента (C, N, H) и имеют решетку металла растворителя, тогда как фазы укоренения имеют другую решетку. Кристаллическая структура фаз укоренения определяется соотношением атомных радиусов неметалла (R x) и металла (R м). Если R x / R м то атомы металла в этих фазах размещены по типу одной из простых кристаллических решеток (кубической или гексагональной), в которую внедряются атомы неметалла, занимая в ней определенные места. Если условие R x / R м не выполняется, как это наблюдается у карбидов железа, марганца, хрома то образуются сложные решетки и такие соединения уже не относятся к фазам укоренения.

4.2. Электронные соединения

Электронные соединения образуются между одновалентными элементами (Cu, Ag, Au, Li, Na) или металлами переходных групп (Fe, Mn, Co и др.). И простыми металлами с валентностью от 2 до 5 (Be, Mg, Zn, Cd, Al и др..).

Электронные соединения имеют кристаллическую решетку, которая отличается от кристаллических решеток их компонентов и образуют сплавы в широком интервале концентраций.

Такие соединения имеют определенную электронную концентрацию (определенное отношение числа валентных электронов к числу атомов):

• для соединений с электронной концентрацией 3/2 (1,5) характерна обьемоцентрована кристаллическая решетка и называют ее β-соединение (CuBe, Cu 3 Al, FeAl и др..)
• для соединений с отношением 21/13 (1,62) характерна сложная кубическая решетка и обозначаются как γ-соединения (Cu 5 Zn 8, Fe 5 Zn 21 и др.).
• для соединений с электронной концентрацией 7/4 (1,75) характерна плотноупакованной гексагональная решетка и обозначается как ε-фаза (Cu 3 Si, Cu 3 Sn и др.)..

4.3. Гетерогенные структуры

При кристаллизации многих сплавов (в т.ч. и Fe-C) образуются структуры, состоящие из нескольких фаз, образующих эту гетерогенную структуру, которую проявляют микроанализом.

См.. также

Источники

• Лахтин Ю. М. Основы металловедения М.: Металлургия, 1988. 320 с. ISBN 5-229-00085-6
• Сыч А. М., Нагорный П. Г. Основы материаловедения: Учебное пособие. - М. Издательско-полиграфический центр "Киевский университет", 2003.
• Вест А. Химия твердого тела. - М.: Мир, 1988. - Ч. 1,2

Диаграмма состояния – это графическое изображение состояния любого сплава изучаемой системы в зависимости от его концентрации и температуры.

Изучение любого сплава начинается с построения и анализа диаграммы состояния соответствующей системы. Диаграмма состояния дает возможность изучать фазы и структурные составляющие сплава. Используя диаграмму состояния, можно установить возможность проведения термической обработки и ее режимы, температуры литья, горячей пластической деформации.

В любой системе число фаз, которые находятся в равновесии, зависит от внутренних и внешних условий. Закономерности всех изменений, происходящих в системе, подчинены общему закону равновесия, который называется правилом фаз или законом Гиббса. Правило фаз выражает зависимость между числом степеней свободы С (вариантностью) системы, числом компонентов К и числом фаз системы Ф, находящихся в равновесии.

Степенями свободы называют независимые термодинамические параметры, которым можно придавать произвольные (в некотором интервале) значения так, чтобы не изменялись фазовые состояния (не исчезали старые фазы и не появлялись новые).

Обычно все превращения в металлах и сплавах происходят при постоянном атмосферном давлении. Тогда правило фаз записывают так: С = К – Ф + 1.

Уравнение правила фаз позволяет корректировать правильность построения диаграмм состояния.

Фаза – это однородная часть системы, которая отделена от других частей системы (фаз) поверхностью раздела при переходе через которую химический состав или структура вещества изменяется скачком.

Однородная жидкость является однофазной системой, а механическая смесь двух кристаллов – двухфазной, так как каждый кристалл отличается от другого по составу или по строению и они отделены один от другого поверхностью раздела.

Компонентами называются вещества, образующие систему.

Построение диаграмм состояния осуществляют различными экспериментальными методами. Часто пользуются методом термического анализа. Отбирают несколько сплавов данной системы с различным соотношением масс входящих в них компонентов. Сплавы помещают в огнеупорные тигли и нагревают в печи. После расплавления сплавов тигли со сплавами медленно охлаждают и фиксируют скорость охлаждения. По полученным данным строят термические кривые в координатах время-температура. В результате измерений получают серию кривых охлаждения, на которых при температурах фазовых превращений наблюдаются точки 20б перегиба и температурные остановки. Температуры, соответствующие не фазовым превращениям, называются критическими точками. Точки, отвечающие началу кристаллизации, называют точками ликвидуса, а концу кристаллизации – точками солидуса. По полученным кривым охлаждения для различных сплавов изучаемой системы строят диаграмму состояния в координатах; по оси абсцисс – концентрация компонентов, по оси ординат – температура.

В процессе кристаллизации изменяются и концентрация фаз, и количество каждой фазы. В любой точке диаграммы, когда в сплаве одновременно существуют две фазы, можно определить количество обеих фаз и их концентрацию. Для этого служит правило рычага или правило отрезков.

Правило отрезков. Данная диаграмма охватывает сплавы, компоненты которых образуют смеси своих практически чистых зерен при ничтожной взаимной растворимости. На оси абсцисс отложена процентная доля компонента В в сплаве.

Фазовое строение сплавов на диаграмме зависит от температуры. При термодинамическом воздействии компонентов друг на друга снижается температура их перехода в жидкое состояние, достигая некоторого минимума при определенном для каждой пары компонентов составе. Состав сплава можно определить, спроецировав точку С на ось абсцисс (точка Вэ ). Сплав двух компонентов, который плавится при минимальной температуре, называется эвтектическим или эвтектикой.

Эвтектика является равномерной смесью одновременно закристаллизовавшихся мелких зерен обоих компонентов. Температура, при которой одновременно плавятся или кристаллизуются оба компонента, называется эвтектической температурой.

Количественные изменения в сплавах данной системы компонентов при кристаллизации подчиняются правилу отрезков.

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.

Проведя через заданную точку горизонтальную линию можно определить количественное соотношение фаз. Отрезки данной линии между заданной точкой и точками, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз.

Правило отрезков в двойных диаграммах состояния используются только в двухфазных областях. В однофазной области имеется лишь одна фаза; любая точка внутри области характеризует ее концентрацию.

| |

→ 20. Типы фаз в металлических сплавах. Правило фаз; правило рычага

Диаграмма состояния – это графическое изображение состояния любого сплава изучаемой системы в зависимости от его концентрации и температуры.

Изучение любого сплава начинается с построения и анализа диаграммы состояния соответствующей системы. Диаграмма состояния дает возможность изучать фазы и структурные составляющие сплава. Используя диаграмму состояния, можно установить возможность проведения термической обработки и ее режимы, температуры литья, горячей пластической деформации.

В любой системе число фаз, которые находятся в равновесии, зависит от внутренних и внешних условий. Закономерности всех изменений, происходящих в системе, подчинены общему закону равновесия, который называется правилом фаз или законом Гиббса. Правило фаз выражает зависимость между числом степеней свободы С (вариантностью) системы, числом компонентов К и числом фаз системы Ф, находящихся в равновесии.

Степенями свободы называют независимые термодинамические параметры, которым можно придавать произвольные (в некотором интервале) значения так, чтобы не изменялись фазовые состояния (не исчезали старые фазы и не появлялись новые).

Обычно все превращения в металлах и сплавах происходят при постоянном атмосферном давлении. Тогда правило фаз записывают так: С = К – Ф + 1.

Уравнение правила фаз позволяет корректировать правильность построения диаграмм состояния.

Фаза – это однородная часть системы, которая отделена от других частей системы (фаз) поверхностью раздела при переходе через которую химический состав или структура вещества изменяется скачком.

Однородная жидкость является однофазной системой, а механическая смесь двух кристаллов – двухфазной, так как каждый кристалл отличается от другого по составу или по строению и они отделены один от другого поверхностью раздела.

Компонентами называются вещества, образующие систему.

Построение диаграмм состояния осуществляют различными экспериментальными методами. Часто пользуются методом термического анализа. Отбирают несколько сплавов данной системы с различным соотношением масс входящих в них компонентов. Сплавы помещают в огнеупорные тигли и нагревают в печи. После расплавления сплавов тигли со сплавами медленно охлаждают и фиксируют скорость охлаждения. По полученным данным строят термические кривые в координатах время-температура. В результате измерений получают серию кривых охлаждения, на которых при температурах фазовых превращений наблюдаются точки 20б перегиба и температурные остановки. Температуры, соответствующие не фазовым превращениям, называются критическими точками. Точки, отвечающие началу кристаллизации, называют точками ликвидуса, а концу кристаллизации – точками солидуса. По полученным кривым охлаждения для различных сплавов изучаемой системы строят диаграмму состояния в координатах; по оси абсцисс – концентрация компонентов, по оси ординат – температура.

В процессе кристаллизации изменяются и концентрация фаз, и количество каждой фазы. В любой точке диаграммы, когда в сплаве одновременно существуют две фазы, можно определить количество обеих фаз и их концентрацию. Для этого служит правило рычага или правило отрезков.

Правило отрезков. Данная диаграмма охватывает сплавы, компоненты которых образуют смеси своих практически чистых зерен при ничтожной взаимной растворимости. На оси абсцисс отложена процентная доля компонента В в сплаве.

Фазовое строение сплавов на диаграмме зависит от температуры. При термодинамическом воздействии компонентов друг на друга снижается температура их перехода в жидкое состояние, достигая некоторого минимума при определенном для каждой пары компонентов составе. Состав сплава можно определить, спроецировав точку С на ось абсцисс (точка В э). Сплав двух компонентов, который плавится при минимальной температуре, называется эвтектическим или эвтектикой.

Эвтектика является равномерной смесью одновременно закристаллизовавшихся мелких зерен обоих компонентов. Температура, при которой одновременно плавятся или кристаллизуются оба компонента, называется эвтектической температурой.

Страницы раздела: 1

В любой точке диаграммы равновесия, когда в сплаве одновременно существуют две фазы, можно определить концентрацию и количество обеих фаз. Этому служит правило отрезков или правило рычага.

Первое положение правило отрезков: чтобы определить концентрацию 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 состав фаз.

Для примера рассмотрим сплав Х при температуре t 1 на диаграмме 1 рода (рис. 2.6).

Рис 2.6 Диаграмма состояния I рода

(с применением к ней правила отрезков)

Следовательно, для сплава Х при температуре t 1 составы фаз определяются проекциями соответствующих точек. Состав жидкой фазы будет соответствовать точке В, а твердой фазы – точке С 1 .

Второе положение правила отрезков: для того чтобы определить количественное соотношение фаз при данной температуре, через заданную точку проводят горизонтальную линию. Отрезки этой линии между заданной точкой и точками, определяющими состав фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз.

Для сплава Х при температуре t 1 это соотношение будет

или
,

где Q Ж – количество жидкой фазы;Q В – количество кристаллов компонента В;Q– общее количество сплава.

Отсюда количество жидкой фазы в процентах будет

т.е. при температуре t 1 сплав Х будет состоять из 66,7% кристаллов компонента В и 33,3% жидкого раствора компонентов А и В.

По правилу отрезков подобным же образом можно определить объем эвтектики и объем кристаллов В после затвердевания.

Для сплава Х

Правило отрезков применимо для всех двухфазных областей любых диаграмм состояний.

ИЗУЧЕНИЕ СЛОЖНЫХ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЙ ДВОЙНЫХ СИСТЕМ

Большая часть двойных сплавов имеет более сложные (комбинированные) диаграммы состояния. Зная основные типы диаграмм состояний, каждую сложную диаграмму можно мысленно разбить на составляющие части, соответствующие основным типам, и в зависимости от состава сплава, рассматривать соответствующую часть диаграммы.

В качестве примера разберем диаграмму состояния сплавов «алюминий-кальций». На рис. Представлена фазовая диаграмма состояния и кривая охлаждения сплава с 25% кальция, на рис. – структурная диаграмма состояния сплавов «алюминий- кальций».

Рис 2.7 Фазовая диаграмма состояния системы Al-Ca и

кривая охлаждения

При общем рассмотрении диаграммы необходимо выделить ее части, соответствующие типовым диаграммам состояния; область существования жидкой фазы, твердой и жидкой фаз, области твердых растворов; найти эвтектические, эвтектоидные и перитектические точки и линии; линии ликвидус и солидус, выяснить, какие фазы существуют в данной системе. Фазами могут быть: твердые растворы, химические соединения, чистые компоненты и жидкость. Для нашего примера область жидкой фазы лежит выше линии ABCDEF, а область одновременного существования жидкой и твердой фаз – между линиями ликвидусABCDEFи солидусAKBLGHMEN.

Рис 2.8 Структурная диаграмма состояния системы Al-Ca

В рассматриваемой системе существует один твердый раствор α, соответствующий области AKS. Это твердый раствор кальция в алюминии. Точка К – точка максимальной растворимости,KS– линия предельной растворимости кальция в алюминии. Алюминий в кальции не растворяется.

Таким образом, фазами в данной системе являются: жидкость, -твердый раствор, химические соединенияAl 3 Ca,Al 2 Ca, кристаллыCa.

Для диаграммы алюминий-кальций характерно следующее:

1. Линия KBL– линия эвтектического превращения, тогда В - эвтектическая точка. Эвтектика представляет собой механическую смесь кристаллов α-твердого раствора и химического соединенияAl 3 Ca. Эвтектическое превращение протекает по уравнению

Ж в α к +Al 3 Ca

В соответствии с правилом фаз эвтектическое превращение протекает при постоянной температуре, т.к. сплав находится в трехфазном равновесном состоянии. В этих условиях число степеней свободы будет равно нулю: С = К - + 1 = 2 – 3 + 1 = 0, где К – число компонентов (AlиCa), и- число фаз (ж, α,Al 3 Ca).

Сплавы, в структуре которых есть эвтектика, делятся на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические.

У сплавов, расположенных ниже линии КВ структура будет состоять из α-твердого раствора и эвтектики, у сплавов ниже линии BL– из хим.соединенияAl 3 Caи эвтектики; эвтектический сплав в т. В состоит из одной эвтектики.

2. Линия CGH– линия образования неустойчивого химического соединенияAl 3 Ca. ТочкаG– перитектическая точка. Реакция перитектического превращения:

Ж с +Al 2 CaAl 3 Ca.

Перитектическое превращение заключается в образовании кристаллов Al 3 Caпри взаимодействии жидкой и твердой фазы определенных химических составов. Для сплава в точкеGв результате завершения перитектического превращения весь сплав будет состоять из химического соединенияAl 3 Ca. Для сплавов, расположенных левее т.G(т.Gдо т. С) в избытке будет оставаться жидкая фаза; для сплавов, расположенных правее т.G(от т.Gдо т. Н) в избытке будет оставаться соединениеAl 2 Ca. В соответствии с правилом фаз перитектическое превращение так же протекает при постоянной температуре.

3. Линия MEN– линия второго эвтектического превращения:

Ж Е Al 2 Ca+Ca

Эвтектика будет состоять из мелкодисперсных кристаллов Caи хим. соединенияAl 2 Ca. Сплавы, расположенные ниже линии МЕ являются доэвтектическими, структура их состоит из эвтектики иAl 2 Ca; сплавы, расположенные ниже линииENявляются заэвтектическими, структура состоит изCaи эвтектики.

В процессе кристаллизации изменяются и концентрация фаз 1 (поэтому состав жидкости изменяется), и количество каждой фазы (при кристаллизации количество твердой фазы увеличивается, а жидкой уменьшается). В любой точке диаграммы, когда в сплаве одновременно существуют две фазы, можно определить количество обеих фаз и их концентрацию. Для этого служит так называемое правило рычага, или правило отрезков.

В точке а, показывающей состояние сплава К при температуре (рис. 95), сплав состоит из кристаллов В и жидкости. Выше точки сплав находится в однофазном состоянии, и концентрация компонентов в этой фазе (т. е. в жидкости) определялась проекцией точки При охлаждении из сплава выделяются кристаллы В и состав жидкости изменяется в сторону увеличения в ней компонента А. При температуре концентрация компонента В в жидкости определяется проекцией точки это максимальное количество компонента В, которое может содержать жидкость при По достижении эвтектической температуры жидкость принимает эвтектическую концентрацию. Следовательно, при охлаждении сплава К концентрация жидкости меняется по кривой Выделяющиеся кристаллы В имеют постоянный состав - это чистый компонент В, концентрация которого лежит на вертикальной оси

Первое положение правила отрезков формулируется следующим образом. 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.

Следовательно, для сплава К при температуре составы обеих фаз определятся проекциями точек и с, так как эти точки находятся на пересечении горизонтальной линии проходящей через точку а, с линиями диаграммы.

Количество этих фаз также можно определить. Для определения количества каждой фазы (второе положение правила отрезков) предположим, что сплав К находится при температуре

Рис. 95. Диаграмма состояния (к применению на ней правила отрезков)

Сплав К содержит Следовательно, если отрезок определяет все количество сплава, то отрезок А - количество В в сплаве, а отрезок - количество компонента А в сплаве.

В точке а сплав состоит из кристаллов В и жидкости концентрации Жидкость содержит , или в жидкости количество компонента В определяется отрезком

При общем весе сплава, равном единице, искомое количество выделившихся кристаллов равно х, а количество жидкости 1 - х, В этом случае количество компонента который находится только в жидкости, равно

т. е. если масса сплава равна единице и изображается отрезком то масса кристаллов в точке а у сплава К равна отношению

Количество жидкости

т. е. количество жидкости определяется отношением

Отношение количества твердой и жидкой фаз определяется отношением

Если точка а определяет состояние сплава, точка - состав жидкой фазы, а точка с - состав твердой фазы, то отрезок определяет все количество сплава, отрезок количество жидкости и отрезок количество кристаллов.

Второе положение правила отрезков формулируется так. 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.

Правило отрезков в двойных диаграммах состояния можно применить только в двухфазных областях. В однофазной области имеется лишь одна фаза; любая точка внутри области характеризует ее концентрацию.