Глава 3. ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА НА РАВНОВЕСНУЮ СТРУКТУРУ СПЛАВОВ

Сплавы состоят из двух и более элементов периодической системы.

Элементы, образующие сплав, называют компонентами. Свойства сплава зависят от многих факторов, но прежде всего они определяются составом фаз и их количественным соотношением. Эти сведения можно получить из анализа диаграмм состояния, изучению которых посвящена данная глава.

Зная диаграмму состояния, можно представить полную картину формирования структуры любого сплава, определить оптимальную температуру заливки сплава для получения литых деталей, оценить жидкотекучесть выбранного сплава и возможность получения химической неоднородности, сделать заключение о возможности и условиях обработки давлением. Диаграммы состояния позволяют определить режим термической обработки, необходимый для данного сплава.

3.1. Методы построения диаграмм состояния

Экспериментальное построение диаграмм состояния возможно благодаря тому, что любое фазовое преврашение сплава отмечается изменением физикомеханических свойств (электросопротивления, удельных объемов и др.) либо тепловым эффектом. Переход сплава из жидкого состояния в твердое 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-либо физической величиной, значительно изменяющейся при фазовых превращениях (электрические, магнитные и другие свойства).

На рис. 3.1 приведена зависимость длины железного образца от температуры. При температуре 911 °С наблюдается уменьшение длины образца, что указывает на переход железа из одного фазового состояния в другое, а при температуре 1392 °С отмечается новое превращение. Эти физические эффекты свидетельствуют о фазовых превращениях, не раскрывая атомного строения этих фаз.

Диаграммы 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 компонентов А и В. Для каждого сплава экспериментально определяют критические точки, т. е. температуры фазовых превращений. Полученные значения температуры

Рис. 3.1. Схема изменения длины железного образца в зависимости от температуры нагрева

Рис. 3.2. Схема построения диаграммы состояния

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, где линия ликвидус - геометрическое место всех точек, которые определяют температуру начала кристаллизации сплавов («лик-ва» по латыни означает жидкий). Линия солидус соответствует точкам, определяющим температуру конца кристаллизации сплавов (-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.

Таким образом, диаграмма состояния представляет собой графическое изображение фазового состава сплавов данной системы в функции температуры и химического состава сплавов. Левая крайняя точка на горизонтальной оси соответствует 100%-ному содержанию 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, отвечающих условиям равновесия, могут быть выражены в математической форме, называемой правилом фаз (Гиббса). Правило фаз дает возможность предсказать и проверить процессы, происходящие в сплавах при нагреве и охлаждении; оно 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:

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 . Три фазы могут существовать только при определенных составе фаз и температуре. Если в двойной системе насчитываем число фаз больше трех, это значит, что сплав не находится в равновесном состоянии или 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

Рис. 3.3. Термодинамическое обоснование диаграммы состояния сплавов, компоненты которых полностью растворимы в жидком и твердом состояниях

помощью правил геометрической термодинамики) можно построить равновесные диаграммы состояния.

Известно, что в равновесном состоянии могут быть только те составы фаз в системе, которые имеют минимальную свободную энергию (термодинамический потенциал) при данной температуре. Проведем синтез простейшей диаграммы состояния, экспериментальное построение которой представлено на рис. 3.2. На рис. 3.3 показана связь характерных графиков изменения свободной энергии возможных фаз при трех определенных температурах с диаграммой состояния. При температуре между точками в термодинамическом равновесии сосуществуют две фазы: жидкий раствор состава и твердый раствор состава Значения свободных энергий этих растворов соответствуют точкам Для более точного построения линий ликвидус и солидус необходимо иметь несколько графиков для интервала температур между