Методы построения диаграмм состояния

Экспериментальное построение диаграмм состояния возможно благодаря тому, что любое фазовое превращение сплава отмечается изменением физико-механических свойств (электросопротивления, удельных объемов и др.) либо тепловым эффектом. Переход сплава из жидкого состояния в твердое состояние сопровождается значительным выделением теплоты, поэтому, измеряя температуру при нагреве или охлаждении в функции времени, можно по перегибам или остановкам на кривых охлаждения определить критические температуры, при которых происходят фазовые превращения.

Для того, чтобы зафиксировать превращения в твердом состоянии, сопровождаемые малыми тепловыми эффектами, обычно наблюдают за какой-то физической величиной, значительно изменяющейся при фазовых превращениях (электрические, магнитные, и другие свойства). На рис. 3.1 приведена зависимость длины железного образца от температуры. При 911ºС наблюдается уменьшение длины образца, что указывает на переход железа из одного фазового состояния в другое, а при 1392ºС отмечается новое превращение. Эти физические эффекты свидетельствуют о фазовых превращениях, не раскрывая атомного строения этих фаз.

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение фазового состава сплавов данной системы в функции температуры и химического состава сплавов. Диаграмму состояния строят в координатах температура – химический состав сплава. Для экспериментального построения диаграммы состояния сплавов, образованных компонентами А и В, необходимо изготовить серию сплавов с различным содержанием этих компонентов. Для каждого сплава экспериментально определяют критические точки, т.е. температуры фазовых превращений. Полученные значения температуры откладывают на вертикальных линиях в соответствии с химическим составом сплавов. Соединяя критические точки, получают линии диаграммы состояния.

Одна из простейших диаграмм состояния приведена на рис. 3.2. Здесь линия ликвидус – геометрическое место всех точек, которые определяют температуру начала кристаллизации сплавов («ликва» по латыни означает жидкий), а линия солидус – геометрическое место точек, определяющих температуру конца кристаллизации сплавов («солид» – твердый).

Эти линии разделяют диаграммы состояния на области с различным фазовым составом.

Положение линий на диаграмме зависит от скорости охлаждения сплавов, поэтому температуры критических точек при построении диаграмм состояния определяют при медленных охлаждениях или нагревах. Такие диаграммы называют равновесными. Левая крайняя точка на горизонтальной оси соответствует 100% содержания одного компонента. Процентное содержание второго компонента откладывается по этой оси слева направо. Правая крайняя точка соответствует 100% второго компонента. Экспериментально построенные диаграммы состояния проверяют по правилу фаз, дающему возможность теоретически обосновать направление протекания процессов превращения для установления равновесного состояния системы.

Общие закономерности существования устойчивых фаз, отвечающим условиям равновесия, в математической форме выражаются правилом фаз (правилом Гиббса). Оно дает возможность предсказать и проверить процессы, происходящие в сплавах при нагреве и охлаждении; показывает, происходит ли процесс кристаллизации при постоянной температуре или в интервале температур, и указывает, какое число фаз может одновременно существовать в системе.

Так как диаграммы состояния обычно строят при постоянном (атмосферном) давлении, то правило фаз выражается следующим уравнением:

С = К + 1 – Ф,

Где К – число компонентов в системе; Ф – число фаз; С – число степеней свободы (или вариантность системы).

Число степеней свободы – это число независимых переменных внутренних (состав фаз) и внешних (температура, давление) факторов, которые можно изменять без изменения числа фаз, находящихся в равновесии.

Из правила фаз следует, что в двойной системе при постоянном давлении не может одновременно существовать более трех фаз. Это возможно при С = 0 (Ф = 2 + 1). Три фазы могут существовать только при определенных составе фаз и температуре. Если в двойной системе число фаз больше трех, это значит, что сплав не находится в равновесном состоянии либо неправильно определено число фаз или компонентов. Для однофазного состояния правило фаз не применяют.

Экспериментальное построение диаграмм состояния является весьма трудоемким процессом, требующим приготовления большого числа опытных сплавов. Однако при наличии необходимых термодинамических данных (с помощью правил геометрической термодинамики) можно построить равновесные диаграммы состояния.

Далее рассмотрим типовые примеры диаграмм состояния двойных систем, обращая особое внимание на фазовые превращения в твердом состоянии.

Дата: 2019-02-18, просмотров: 240.