Диаграммы состояния двойных сплавов.

Диаграмма состояния – графическое изображение фазового состояния сплава в зависимости от температуры и концентрации компонентов в условиях равновесия.

Закономерности сосуществования устойчивых фаз выражаются правилом фаз или законом Гибсса:

С = k – f + 2

где C - число степеней свободы системы, k – число компонентов в системе, f – число фаз в системе.

Число степеней свободы системы C - это число внешних и внутренних факторов (температура, давление, концентрация), которые можно изменять без (!!!) изменения числа фаз в системе. Если принять, что превращения в металле происходят при постоянном давлении, то число переменных уменьшится на единицу (давление постоянно), и уравнение Гиббса будет:

С = k – f + 1

Для случая кристаллизации чистого металла, когда металл находится в жидком состоянии, f=1 (одна фаза – жидкость), а число степеней свободы равно 1 (С = k – f + 1=1-1+1=1). В момент кристаллизацииf=2 (две фазы – твердая и жидкая), а С=k-f+1=1-2+1=0. Это означает, что две фазы находятся в равновесии при строго определенной температуре (температуре плавления), и она не может быть изменена до тех пор, пока не исчезнет одна из фаз.

Для построения диаграммы состояния используют кривые охлаждения чистых компонентов (в общем случае А и В), и их сплавов различного состава, полученные методом термического анализа (рис.1.13). По кривым охлаждения определяют температуры фазовых превращений (перехода их жидкого состояния в жидкое с твердым, и потом в твердое состояние) – критические точки. На кривых охлаждения I и V чистых компонентов А и В имеется только по одной критической точке, т.к кристаллизация чистых металлов происходит при постоянной температуре.

Рис.1.13. Диаграмма состояния I рода (а), кривые охлаждения сплавов I…V и схемы их структур (б): АСВ – ликвидус; DCE – солидус.

Процесс кристаллизации сплавов II …IV протекает иначе: сначала в интервале температур между точками 1 и 2, а затем при постоянной температуре (точки 2 и 2’). Ниже точки 2’ происходит уже охлаждение твердого вещества. Первая критическая точка (1) – начало кристаллизации – называется ликвидус, вторая (2 или 2’) - конец кристаллизации – солидус. Каждый сплав II…IV имеет свое содержание компонентов А и В и если критические точки с кривых охлаждения (рис.1.13, б) сплавов I…V параллельно перенести на диаграмму состояния (рис.1.13, а) в соответствии с концентрацией сплавов и температурой критических точек и соединить перенесенные точки линией, то получатся линии ликвидус АСВ (начало кристаллизации) и солидус DCE (конец кристаллизации). Выше линии АСВ сплав находится в жидком состоянии, между АСВ и DCE в твердо-жидком состоянии, ниже линии DCE в твердом состоянии.

Такая диаграмма состояния (рис.1.13, а) называется диаграммой состояния I рода и соответствует сплавам которые нерастворимы в твердом состоянии, т.е. механическим смесям (рис.1.14, а).

Рис.1.14. Микроструктура механической смеси компонентов А и В.