Процесс кристаллизации металлических сплавов и связанные с ним многие закономерности строения сплавов описывают с помощью диа- грамм фазового равновесия, которые в удобной графической форме пока- зывают фазовый состав и структуру в зависимости от температуры и кон- центрации. Диаграммы построены для условий равновесия; равновесное состояние соответствует минимальному значению свободной энергии.

Рассмотрение диаграмм состояния позволяет определить фазовые пре- вращения в условиях очень медленного охлаждения или нагрева. Законо- мерность изменения числа фаз в гетерогенной системе определяется пра- вилом фаз.

Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей сис- темы (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую химиче- ский состав или структура вещества изменяется скачкообразно.

При изучении физико-химических равновесий за внешние факторы, влияющие на состояние сплава, принимают температуру и давление. При- меняя правило фаз к металлам, можно во многих случаях принять изме- няющимся только один внешний фактор – температуру, т. к.давление, за исключением очень высокого, мало влияет на фазовое равновесие в твер- дом и жидком состояниях. Тогда общие закономерности существования устойчивых фаз, отвечающих условиям равновесия, в математической форме выражаются правилом фаз (правилом Гиббса) и при постоянном давлении выражается следующим уравнением:

С = К + 1 – ,                                                             (4.1)

где К – число компонентов в системе; – число фаз; С – число степе- ней свободы (вариантность системы).

Число степеней свободы С – число независимых внутренних перемен-

ных (состав фаз) и внешних (температура, давление) факторов, которые можно менять без изменения числа фаз, находящихся в равновесии. При фазовых превращениях в сплавах вновь образующаяся фаза не обязательно должна иметь более низкий уровень свободной энергии, чем исходная, но обязательно в процессе фазового превращения свободная энергия системы, в целом, должна уменьшаться.

По кривым свободной энергии можно геометрическим путем построить основные типы диаграмм состояния. Их строят в координатах температура– концентрация в процентном содержании по массе.

Для построения диаграмм состояния используют термический анализ, разработанный Н. С. Курнаковым. Экспериментально получают кривые охлаждения отдельных сплавов и по их перегибам или остановкам, свя-

занным с тепловыми эффектами превращений, определяют температуру соответствующих превращений. Эти температуры называют критическими точками.

При изучении превращений в твердом состоянии используют различ- ные методы физико–химического анализа, микроанализа, рентгенострук- турного, дилатометрического, магнитного анализов и др.

В жидком состоянии большинство металлов неограниченно растворя- ются один в другом, образуя однофазный жидкий раствор. Любые фазы, образующиеся в сплаве, отличаются по составу от исходного жидкого рас- твора, поэтому для образования устойчивого зародыша необходимы не только гетерогенные флуктуации, но и флуктуации концентрации. Флук- туациями концентрации называют временно возникающие в отдельных малых объемах жидкого раствора отклонения химического состава сплава от среднего его состава. Такие флуктуации возникают в результате диффу- зионного перемещения атомов вещества и вследствие тепловых движений в жидком растворе. Зародыш новой фазы может возникнуть только в тех микрообъемах исходной фазы, состав которых в результате флуктуации концентрации и расположения атомов соответствует составу и строению новой кристаллизующейся фазы.

Скорость роста кристаллов в жидких растворах меньше, чем в чистых металлах. Это объясняется тем, что рост кристаллов требует диффузионного перемещения атомов компонентов в жидком растворе.

Диаграмма состояния разделена линиями на области. Отдельные об- ласти могут состоять только из одной фазы, а некоторые – из двух, имею- щих разные составы, строение и свойства.

Анализируя диаграмму состояния, можно составить представление о специфике свойств сплавов данной системы компонентов и характере их изменений в зависимости от состава, а также о возможности термической обработки сплавов и температуре нагрева для ее проведения.

Вид диаграммы определяется характером взаимодействий, которые возникают между компонентами в жидком и твердом состояниях.