), care are aceeași compoziție, structură, stare unică de agregare și este separat de restul sistemului printr-o interfață.

De exemplu, un metal lichid este un sistem monofazat, iar un amestec de două tipuri de metale diferite ca compoziție și structură, separate printr-o interfață, sau prezența simultană a unui aliaj în stare lichidă și cristale formează un bifazic. sistem.

Următoarele faze se pot forma în aliaje:

O reprezentare grafică a liniilor de coexistență a fazelor în funcție de parametrii termodinamici se numește „Diagrama de fază”.

1. Soluție lichidă

Soluțiile lichide sunt amestecuri complet omogene de două (sau mai multe) substanțe, în care moleculele unei substanțe sunt distribuite uniform între moleculele altei substanțe.

2. Soluție solidă

solutii solide numite faze în care unul dintre componentele aliajului își păstrează rețeaua cristalină, iar atomii celeilalte componente sunt plasați în rețeaua cristalină a primului component (solvent), modificându-i dimensiunea.

4. Intermediari

Un număr semnificativ de compuși formați în aliajele metalice nu respectă legile valenței și nu au un raport stabil de componente. Cei mai importanți compuși intermediari formați în aliaje sunt următorii:

• fazele de înrădăcinare;
• conexiuni electronice;
• structuri eterogene.

4.1. Fazele de înrădăcinare

Soluțiile solide de înrădăcinare menționate mai sus se formează la concentrații mult mai mici ale celui de-al doilea component (C, N, H)și au o rețea de metal solvent, în timp ce fazele de înrădăcinare au o rețea diferită. Structura cristalină a fazelor de înrădăcinare este determinată de raportul dintre razele atomice ale nemetalului. (Rx)și metal (Rm).În cazul în care un R x / R m atunci atomii de metal din aceste faze sunt aranjați după tipul uneia dintre rețelele cristaline simple (cubice sau hexagonale), în care sunt introduși atomi nemetalici, ocupând anumite locuri în acesta. Dacă starea R x / R m nu este îndeplinită, așa cum se observă pentru fier, mangan, carburi de crom, apoi se formează rețele complexe și astfel de compuși nu mai aparțin fazelor de înrădăcinare.

4.2. Conexiuni electronice

Conexiuni electronice format între elemente monovalente (Cu, Ag, Au, Li, Na) sau metale de tranziție (Fe, Mn, Co si etc.). Și metale simple cu o valență de la 2 la 5 (Fii, Mg, Zn, Cd, Al si etc..).

Compușii electronici au o rețea cristalină care diferă de rețelele cristaline ale componentelor lor și formează aliaje într-o gamă largă de concentrații.

Astfel de compuși au o anumită concentrație de electroni (un anumit raport dintre numărul de electroni de valență și numărul de atomi):

• pentru compușii cu o concentrație de electroni de 3/2 (1,5), o rețea cristalină centrată în volum este caracteristică și se numește compus β (CuBe, Cu3Al, FeAl si etc..)
• compușii cu un raport de 21/13 (1,62) sunt caracterizați printr-o rețea cubică complexă și sunt denumiți ca compuși γ (Cu 5 Zn 8, Fe 5 Zn 21 si etc.).
• compușii cu o concentrație de electroni de 7/4 (1,75) sunt caracterizați printr-o rețea hexagonală compactă și sunt desemnați ca fază ε (Cu 3 Si, Cu 3 Sn si etc.)..

4.3. structuri eterogene

În timpul cristalizării multor aliaje (inclusiv și Fe-C) se formează structuri, formate din mai multe faze, formând această structură eterogenă, care se arată prin microanaliza.

Vezi si

Surse

• Lakhtin Yu. M. Fundamentele Metalurgiei Moscova: Metalurgia, 1988. 320 p. ISBN 5-229-00085-6
• Sych A. M., Nagorny P. G. Fundamentele științei materialelor: manual. - M. Centrul de editură și tipografie „Universitatea din Kiev”, 2003.
• Vest A. Chimia stării solide. - M.: Mir, 1988. - Cap. 1.2

O diagramă de stare este o reprezentare grafică a stării oricărui aliaj al sistemului studiat, în funcție de concentrația și temperatura acestuia.

Studiul oricărui aliaj începe cu construirea și analiza diagramei de stare a sistemului corespunzător. Diagrama de stare face posibilă studierea fazelor și componentelor structurale ale aliajului. Folosind diagrama de stare, se poate stabili posibilitatea tratamentului termic și modurile acestuia, temperaturile de turnare, deformarea plastică la cald.

În orice sistem, numărul de faze care sunt în echilibru depinde de condițiile interne și externe. Legile tuturor modificărilor care au loc în sistem sunt supuse legii generale a echilibrului, care se numește regula fazelor sau legea Gibbs. Regula fazelor exprimă relația dintre numărul de grade de libertate C (varianța) sistemului, numărul de componente K și numărul de faze ale sistemului Ф care sunt în echilibru.

Gradele de libertate se numesc parametri termodinamici independenți, cărora li se pot da valori arbitrare (într-un anumit interval), astfel încât stările de fază să nu se schimbe (fazele vechi nu dispar și altele noi nu apar).

De obicei, toate transformările metalelor și aliajelor au loc la presiune atmosferică constantă. Apoi regula fazei este scrisă după cum urmează: C \u003d K - F + 1.

Ecuația regulii de fază vă permite să corectați corectitudinea construcției diagramelor de stare.

O fază este o parte omogenă a sistemului, care este separată de alte părți ale sistemului (faze) prin interfață, la trecerea prin care compoziția chimică sau structura substanței se modifică brusc.

Un lichid omogen este un sistem monofazat, iar un amestec mecanic de două cristale este un sistem cu două faze, deoarece fiecare cristal diferă de celălalt în compoziție sau structură și sunt separate unul de celălalt printr-o interfață.

Componentele sunt substanțele care formează sistemul.

Construcția diagramelor de stare se realizează prin diferite metode experimentale. Analiza termică este adesea folosită. Mai multe aliaje ale acestui sistem sunt selectate cu diferite rapoarte de masă ale componentelor lor. Aliajele sunt plasate în creuzete refractare și încălzite într-un cuptor. După topirea aliajelor, creuzetele cu aliajele se răcesc lent și se fixează viteza de răcire. Pe baza datelor obținute, curbele termice sunt construite în coordonate timp-temperatura. În urma măsurătorilor se obțin o serie de curbe de răcire în care la temperaturile transformărilor de fază se observă punctele de inflexiune 20b și opriri de temperatură. Temperaturile corespunzătoare transformărilor nefazate se numesc puncte critice. Punctele corespunzătoare începutului cristalizării se numesc puncte lichidus, iar punctele corespunzătoare sfârșitului cristalizării se numesc puncte solidus. Pe baza curbelor de răcire obținute pentru diferite aliaje ale sistemului studiat, se construiește o diagramă de fază în coordonate; de-a lungul axei absciselor, concentrația componentelor; de-a lungul axei ordonatelor, temperatura.

În procesul de cristalizare, atât concentrația fazelor, cât și cantitatea fiecărei faze se modifică. În orice punct al diagramei, când în aliaj există două faze simultan, se poate determina cantitatea ambelor faze și concentrația lor. Pentru aceasta se folosește regula levierului sau regula segmentelor.

Regula segmentului. Această diagramă acoperă aliajele ale căror componente formează amestecuri de granule practic pure cu solubilitate reciprocă neglijabilă. Abscisa arată procentul componentului B din aliaj.

Structura de fază a aliajelor din diagramă depinde de temperatură. Odată cu acțiunea termodinamică a componentelor unul asupra celuilalt, temperatura trecerii lor la starea lichidă scade, atingând un anumit minim la o compoziție determinată pentru fiecare pereche de componente. Compoziția aliajului poate fi determinată prin proiectarea punctului C pe axa x (punctul B uh). Un aliaj din două componente care se topește la o temperatură minimă se numește eutectic sau eutectic.

Eutecticul este un amestec uniform de boabe mici cristalizate simultan din ambele componente. Temperatura la care ambele componente se topesc sau cristalizează simultan se numește temperatură eutectică.

Modificările cantitative ale aliajelor unui anumit sistem de componente în timpul cristalizării respectă regula segmentelor.

Pentru determinarea concentraţiilor componentelor în faze se trasează printr-un punct dat o linie orizontală care caracterizează starea aliajului până se intersectează cu liniile care limitează această zonă; proiecţiile punctelor de intersecţie pe axa concentraţiei arată compoziţiile fazelor.

Prin trasarea unei linii orizontale printr-un punct dat, puteți determina raportul cantitativ al fazelor. Segmentele acestei drepte între punctul dat și punctele care determină compoziția fazelor sunt invers proporționale cu mărimile acestor faze.

Regula segmentului în diagramele cu stări duale este utilizată numai în zonele cu două faze. Într-o regiune cu o singură fază, există o singură fază; orice punct din interiorul regiunii caracterizează concentrarea acesteia.

| |

→ 20. Tipuri de faze în aliajele metalice. regula fazei; regula pârghiei

O diagramă de stare este o reprezentare grafică a stării oricărui aliaj al sistemului studiat, în funcție de concentrația și temperatura acestuia.

Studiul oricărui aliaj începe cu construirea și analiza diagramei de stare a sistemului corespunzător. Diagrama de stare face posibilă studierea fazelor și componentelor structurale ale aliajului. Folosind diagrama de stare, se poate stabili posibilitatea tratamentului termic și modurile acestuia, temperaturile de turnare, deformarea plastică la cald.

În orice sistem, numărul de faze care sunt în echilibru depinde de condițiile interne și externe. Legile tuturor modificărilor care au loc în sistem sunt supuse legii generale a echilibrului, care se numește regula fazelor sau legea Gibbs. Regula fazelor exprimă relația dintre numărul de grade de libertate C (varianța) sistemului, numărul de componente K și numărul de faze ale sistemului Ф care sunt în echilibru.

Gradele de libertate se numesc parametri termodinamici independenți, cărora li se pot da valori arbitrare (într-un anumit interval), astfel încât stările de fază să nu se schimbe (fazele vechi nu dispar și altele noi nu apar).

De obicei, toate transformările metalelor și aliajelor au loc la presiune atmosferică constantă. Apoi regula fazei este scrisă după cum urmează: C \u003d K - F + 1.

Ecuația regulii de fază vă permite să corectați corectitudinea construcției diagramelor de stare.

O fază este o parte omogenă a sistemului, care este separată de alte părți ale sistemului (faze) prin interfață, la trecerea prin care compoziția chimică sau structura substanței se modifică brusc.

Un lichid omogen este un sistem monofazat, iar un amestec mecanic de două cristale este un sistem cu două faze, deoarece fiecare cristal diferă de celălalt în compoziție sau structură și sunt separate unul de celălalt printr-o interfață.

Componentele sunt substanțele care formează sistemul.

Construcția diagramelor de stare se realizează prin diferite metode experimentale. Analiza termică este adesea folosită. Mai multe aliaje ale acestui sistem sunt selectate cu diferite rapoarte de masă ale componentelor lor. Aliajele sunt plasate în creuzete refractare și încălzite într-un cuptor. După topirea aliajelor, creuzetele cu aliajele se răcesc lent și se fixează viteza de răcire. Pe baza datelor obținute, curbele termice sunt construite în coordonate timp-temperatura. În urma măsurătorilor se obțin o serie de curbe de răcire în care la temperaturile transformărilor de fază se observă punctele de inflexiune 20b și opriri de temperatură. Temperaturile corespunzătoare transformărilor nefazate se numesc puncte critice. Punctele corespunzătoare începutului cristalizării se numesc puncte lichidus, iar punctele corespunzătoare sfârșitului cristalizării se numesc puncte solidus. Pe baza curbelor de răcire obținute pentru diferite aliaje ale sistemului studiat, se construiește o diagramă de fază în coordonate; de-a lungul axei absciselor, concentrația componentelor; de-a lungul axei ordonatelor, temperatura.

În procesul de cristalizare, atât concentrația fazelor, cât și cantitatea fiecărei faze se modifică. În orice punct al diagramei, când în aliaj există două faze simultan, se poate determina cantitatea ambelor faze și concentrația lor. Pentru aceasta se folosește regula levierului sau regula segmentelor.

Regula segmentului. Această diagramă acoperă aliajele ale căror componente formează amestecuri de granule practic pure cu solubilitate reciprocă neglijabilă. Abscisa arată procentul componentului B din aliaj.

Structura de fază a aliajelor din diagramă depinde de temperatură. Odată cu acțiunea termodinamică a componentelor unul asupra celuilalt, temperatura trecerii lor la starea lichidă scade, atingând un anumit minim la o compoziție determinată pentru fiecare pereche de componente. Compoziția aliajului poate fi determinată prin proiectarea punctului C pe axa x (punctul B e). Un aliaj din două componente care se topește la o temperatură minimă se numește eutectic sau eutectic.

Eutecticul este un amestec uniform de boabe mici cristalizate simultan din ambele componente. Temperatura la care ambele componente se topesc sau cristalizează simultan se numește temperatură eutectică.

Pagini de secțiune: 1

În orice punct al diagramei de echilibru, când în aliaj există două faze simultan, se pot determina concentrația și cantitatea ambelor faze. Aceasta este regula segmentelor sau regula pârghiei.

Prima poziție a regulii segmentelor: pentru a determina concentrația componentelor în faze se trasează printr-un punct dat o linie orizontală care caracterizează starea aliajului până se intersectează cu liniile care limitează această zonă; proiecțiile punctelor de intersecție pe axa concentrației arată compoziția fazelor.

De exemplu, luăm în considerare un aliaj X la o temperatură t 1 într-o diagramă de primul fel (Fig. 2.6).

Figura 2.6 Diagrama de stare de tip I

(cu regula segmentelor aplicată)

Prin urmare, pentru aliajul X la temperatura t 1, compozițiile de fază sunt determinate de proiecțiile punctelor corespunzătoare. Compoziția fazei lichide va corespunde punctului B, iar fazei solide - punctului C 1.

A doua poziție a regulii segmentelor: pentru a determina raportul cantitativ al fazelor la o temperatură dată, se trasează o linie orizontală printr-un punct dat. Segmentele acestei drepte între punctul dat și punctele care determină compoziția fazelor sunt invers proporționale cu mărimile acestor faze.

Pentru aliajul X la temperatura t 1 acest raport va fi

sau
,

unde Q L este cantitatea de fază lichidă; Q B este numărul de cristale ale componentului B; Q este cantitatea totală de aliaj.

De aici, procentul fazei lichide va fi

acestea. la o temperatură t 1 aliajul X va fi format din 66,7% cristale ale componentei B și 33,3% soluție lichidă a componentelor A și B.

Folosind regula segmentelor, într-un mod similar, puteți determina volumul eutecticului și volumul cristalelor B după solidificare.

Pentru aliajul X

Regula de tăiere se aplică tuturor regiunilor cu două faze ale oricăror diagrame de stare.

STUDIUL DIAGRAMEI COMPLEXE A STĂRILOR SISTEMELOR BINARE

Majoritatea aliajelor binare au diagrame de stare mai complexe (combinate). Cunoscând principalele tipuri de diagrame de stare, fiecare diagramă complexă poate fi împărțită mental în părți constitutive corespunzătoare principalelor tipuri și, în funcție de compoziția aliajului, luați în considerare partea corespunzătoare a diagramei.

Ca exemplu, să analizăm diagrama de stare a aliajelor de aluminiu-calciu. Pe fig. Diagrama de fază a stării și curba de răcire a aliajului cu 25% calciu sunt prezentate, în fig. - schema structurală a stării aliajelor de aluminiu-calciu.

Figura 2.7 Diagrama de fază a stării sistemului Al-Ca și

curba de racire

Într-o examinare generală a diagramei, este necesar să se evidențieze părțile acesteia corespunzătoare diagramelor de stare tipice; zona de existență a fazei lichide, fazelor solide și lichide, zona soluțiilor solide; găsiți puncte și linii eutectice, eutectoide și peritectice; linii lichidus și solidus, aflați ce faze există într-un sistem dat. Fazele pot fi: soluții solide, compuși chimici, componente pure și lichide. Pentru exemplul nostru, regiunea fazei lichide se află deasupra liniei ABCDEF, iar regiunea existenței simultane a fazelor lichide și solide se află între liniile lichidus ABCDEF și solidus AKBLGHMEN.

Fig 2.8 Diagrama structurală a stării sistemului Al-Ca

În sistemul luat în considerare, există o soluție solidă α corespunzătoare regiunii AKS. Este o soluție solidă de calciu în aluminiu. Punctul K este punctul de solubilitate maximă, KS este linia solubilității limită a calciului în aluminiu. Aluminiul nu se dizolvă în calciu.

Astfel, fazele din acest sistem sunt: ​​lichid, -solutie solida, compusi chimici Al 3 Ca, Al 2 Ca, cristale de Ca.

Diagrama aluminiu-calciu se caracterizează prin următoarele:

1. Linia KBL - linia transformării eutectice, apoi B - punctul eutectic. Un eutectic este un amestec mecanic de cristale dintr-o soluție α-solidă și un compus chimic Al 3 Ca. Transformarea eutectică are loc conform ecuației

W în α la + Al3Ca

În conformitate cu regula fazei, transformarea eutectică are loc la o temperatură constantă, deoarece aliajul este într-o stare de echilibru trifazic. În aceste condiții, numărul de grade de libertate va fi zero: C = K - + 1 = 2 – 3 + 1 = 0, unde K este numărul de componente (Al și Ca) și - numărul de faze (l, α, Al 3 Ca).

Aliajele, în structura cărora există un eutectic, sunt împărțite în hipoeutectice, eutectice și hipereutectice.

Pentru aliajele situate sub linia KB, structura va consta dintr-o soluție α-solidă și eutectică, pentru aliajele sub linia BL, din compusul chimic Al 3 Ca și eutectic; aliajul eutectic din t. B este format dintr-un singur eutectic.

2. Linia CGH - linia de formare a unui compus chimic instabil Al 3 Ca. Punctul G este un punct peritectic. Reacția de transformare peritectică:

Ws +Al2CaAl3Ca.

Transformarea peritectică constă în formarea de cristale de Al 3 Ca în timpul interacțiunii fazelor lichide și solide ale anumitor compoziții chimice. Pentru un aliaj din punctul G, ca urmare a finalizării transformării peritectice, întregul aliaj va fi compus din compusul chimic Al 3 Ca. Pentru aliajele situate la stânga punctului G (de la punctul G la punctul C), faza lichidă va rămâne în exces; pentru aliajele situate în dreapta punctului G (din punctul G în punctul H), compusul Al 2 Ca va rămâne în exces. În conformitate cu regula fazei, transformarea peritectică are loc și la o temperatură constantă.

3. Linia MEN - linia celei de-a doua transformări eutectice:

F E Al 2 Ca+Ca

Eutectica va consta din cristale fine de Ca și substanțe chimice. Compuși Al2Ca. Aliajele de sub linia ME sunt hipoeutectice, structura lor este formată din eutectic și Al 2 Ca; aliajele de sub linia EN sunt hipereutectice, structura este formată din Ca și eutectic.

În procesul de cristalizare, atât concentrația fazelor 1 (prin urmare, compoziția lichidului se modifică), cât și cantitatea fiecărei faze (în timpul cristalizării, cantitatea de fază solidă crește, iar faza lichidă scade). În orice punct al diagramei, când în aliaj există două faze simultan, se poate determina cantitatea ambelor faze și concentrația lor. Pentru aceasta se folosește așa-numita regulă a pârghiei, sau regula segmentelor.

La punctul a, care arată starea aliajului K la temperatură (Fig. 95), aliajul este format din cristale B și lichid. Deasupra punctului, aliajul este într-o stare monofazată, iar concentrația componentelor din această fază (adică în lichid) a fost determinată de proiecția punctului.La răcire, cristalele B precipită din aliaj și compoziție. a lichidului se schimbă în direcția creșterii componentei A în el. La temperatură, concentrația componentei B în lichid este determinată de proiecția punctului acesta este cantitatea maximă de component B pe care lichidul o poate conține la atingerea temperaturii eutectice. , lichidul capătă concentrația eutectică. Prin urmare, atunci când aliajul K este răcit, concentrația lichidului se modifică de-a lungul curbei.Cristalele precipitate B au o compoziție constantă - aceasta este o componentă pură B, a cărei concentrație se află pe axa verticală.

Prima prevedere a regulii segmentelor este formulată astfel. Pentru determinarea concentraţiilor componentelor în faze se trasează printr-un punct dat o linie orizontală care caracterizează starea aliajului până se intersectează cu liniile care limitează această zonă; proiecţiile punctelor de intersecţie pe axa concentraţiei arată compoziţiile fazelor.

În consecință, pentru aliajul K la temperatură, compozițiile ambelor faze sunt determinate de proiecțiile punctelor și c, întrucât aceste puncte se află la intersecția dreptei orizontale care trece prin punctul a cu liniile diagramei.

Numărul acestor faze poate fi de asemenea determinat. Pentru a determina cantitatea fiecărei faze (a doua poziție a regulii segmentelor), presupunem că aliajul K este la o temperatură

Orez. 95. Diagrama de stări (pentru a aplica regula segmentelor pe ea)

Aliajul K conține Prin urmare, dacă segmentul determină întreaga cantitate de aliaj, atunci segmentul A este cantitatea de B din aliaj, iar segmentul este cantitatea de component A din aliaj.

La punctul a, aliajul este format din cristale B și un lichid de concentrare Lichidul conține , sau într-un lichid, cantitatea de component B este determinată de segment

Cu greutatea totală a aliajului egală cu unu, numărul dorit de cristale precipitate este x, iar cantitatea de lichid este de 1 - x. În acest caz, cantitatea de componentă care se află numai în lichid este

adică dacă masa aliajului este egală cu unitatea și este reprezentată de un segment, atunci masa cristalelor în punctul a din aliajul K este egală cu raportul

Cantitatea de lichid

adică cantitatea de lichid este determinată de raport

Raportul dintre cantitatea de faze solide și lichide este determinat de raport

Dacă punctul a determină starea aliajului, punctul determină compoziția fazei lichide, iar punctul c determină compoziția fazei solide, atunci segmentul determină întreaga cantitate de aliaj, segmentul determină cantitatea de lichid, iar segmentul determină numărul de cristale.

A doua prevedere a regulii segmentelor este formulată astfel. Pentru a determina raportul cantitativ al fazelor, se trasează o linie orizontală printr-un punct dat. Segmentele acestei drepte între punctul dat și punctele care determină compoziția fazelor sunt invers proporționale cu cantitățile acestor faze.

Regula segmentului în diagramele cu două stări poate fi aplicată numai în zone cu două faze. Într-o regiune cu o singură fază, există o singură fază; orice punct din interiorul regiunii caracterizează concentrarea acesteia.