Елементарне введення в матеріалознавство (стор

3.2.2 *. правило фаз

Різні сплави відрізняються своїм складом (т. Е. Кількісним співвідношенням компонентів). У металознавстві прийнято розглядати не окремі сплави, а системи.

Система - це сукупність нескінченно великого числа сплавів, утворених даними металами (і неметалами). У металознавстві вивчають сплави, в які входить кілька елементів. Тому, коли говорять "система Cu-Zn" або "система Fe-Ni", це означає, що розглядають сплави, що складаються з цих елементів.

У складних системах, що складаються з декількох фаз, існують поверхні розділу між фазами. У сплавах фазами можуть бути чисті метали, рідкі або тверді розчини, хімічні сполуки. Фази відрізняються одна від одної по агрегатному стані (рідкий і твердий алюміній - дві різні фази), хімічним складом, т. Е. Концентрації компонентів в кожній фазі, типу кристалічної решітки (залізо з гратами ГЦК і ОЦК - теж дві різні фази). Компонентами можуть бути чисті метали (елементи) або стійкі хімічні сполуки. У металознавстві під компонентами зазвичай розуміють елементи (метали і неметали), які утворюють сплав. Отже, чисті метали представляють однокомпонентні системи, сплави з двох елементів - двокомпонентні і т. Д.

Діаграми стану багатокомпонентних сплавів є просторові фігури, на плоскій підставі яких зображується склад сплавів, а по вертикальній осі відкладається температура. Наприклад, для трехкомпонентного сплаву підставу діаграми стану має вигляд трикутника, по сторонах якого відкладені відносні концентрації компонентів.

У матеріалознавстві найчастіше розглядають двокомпонентні системи. Так роблять і в тих випадках, коли мають справу зі сплавами з багатьох компонентів: виділяють основну систему, а інші компоненти розглядають як легуючі елементи.

Число ступенів свободи. Ступінь свободи визначається числом незалежних змінних (наприклад, температура, концентрація сплаву, тиск), які можна змінювати в певних межах, не порушуючи рівноваги. Рівноважним називається стан сплаву, яке не змінюється в часі. При рівновазі зберігається число фаз, що співіснують. Якщо за цієї умови можна міняти тільки температуру (одна змінна), то число ступенів свободи дорівнює одиниці; якщо і температура, і склад фази повинні бути постійними, то число ступенів свободи дорівнює нулю.

Закономірності всіх змін системи в залежності від внутрішніх і зовнішніх умов підкоряються правилу фаз. Правило фаз встановлює можливе число фаз і умови, при яких вони можуть існувати в даній системі, т. Е. В сплаві з даного числа компонентів. Правило фаз висловлює залежність між кількістю фаз, числом компонентів і числом ступенів свободи системи:

де С - число ступенів свободи, К - кількість компонентів, Ф - число фаз, що співіснують, В - зовнішні змінні фактори (температура, тиск). Якщо прийняти тиск постійним, що допустимо для розгляду металевих систем (В = 1), т. Е. Якщо з зовнішніх чинників враховувати тільки температуру, то

Розглянемо можливі випадки рівноваги для однокомпонентних систем.

Якщо в однокомпонентної системі (наприклад, в чистому металі) є одна фаза (рідкий або закристалізувався, т. Е. Твердий метал), то К = 1 і Ф = 1. Тоді, згідно з (3.2.2), С = 1 + 1-1 = 1, т. Е. Є одна ступінь свободи. Це означає, що можна нагріти або охолодити метал в певному інтервалі температур, зберігаючи його однофазним (рідким або твердим).

Якщо в момент плавлення в системі є дві фази (наприклад, рідкий і твердий метал), то К = 1, Ф = 2 і, отже, С = 1 + 1-2 = 0, т. Е. Немає жодної ступеня свободи . Така рівновага можливо лише при постійній температурі. Отже, температура плавлення і температура затвердіння однокомпонентних систем, наприклад чистих металів, завжди постійні, і, поки не зникне одна фаза (розплавиться тверда частина при нагріванні або затвердіє рідка частина при охолодженні), температура залишається незмінною.

Однак для двокомпонентної системи затвердіння сплаву буде відбуватися при інших умовах, так як Л = 2, Ф = 2, отже, С = 2 + 1-2 = 1, т. Е. Є одна ступінь свободи. Значить, рівновагу між рідкої і твердої фазою при затвердінні зберігається в інтервалі температур (температуру можна міняти). На кривій, що характеризує залежність температури сплаву від часу (кривої охолодження), з'являться температури початку і кінця затвердіння.

3.2.3 * .Діаграмма стану евтектичного типу

Солона (наприклад, морська) вода замерзає ні до 0oС, а при більш низькій температурі. Температура затвердіння розчину в цьому випадку нижче, ніж у чистого розчинника. У міру збільшення кількості розчиненого речовини температура затвердіння (до певної межі) знижується. При деякій певній концентрації замерзає вже не розчинник, а весь розчин цілком; при цій концентрації температура застигання нижче, ніж при будь-якій іншій. Для розчину кухонної солі у воді це відбувається, якщо кількість солі у воді складає 30% за вагою. Такий розчин замерзає лише при -21oС. Розчин такого складу називається евтектикой. а температура плавлення евтектики називається евтектичною точкою.

У підручнику [56] евтектика визначається як механічна суміш двох видів кристалів, одночасно кристалізуються з рідини. У твердому стані сіль практично не розчиняється в льоду, тому при кристалізації евтектики в ній одночасно виділяються кристали солі і кристали льоду, які утворюють механічну суміш з кристалів солі і льоду.

Розглянемо систему олово-свинець (Sn-Pb). Температура плавлення свинцю 327,5oС, а олова -232oС. У той же час температура плавлення евтектики олово-свинець Sn-38,1% Pb (відомої під назвою "припій марки ПОС61", число 61 відповідає процентним вмістом олова в сплаві) всього лише 180oС, т. Е. Нижче, ніж температури плавлення чистих компонентів. А що буде відбуватися при нагріванні сплаву олова зі свинцем Sn-20% Pb? При нагріванні вище 180oС виходить рідкий розчин, в якому присутні нерозплавлений шматки твердого розчину на основі свинцю. А якщо вибрати так званий заевтектичних сплав, наприклад Sn-60% Pb, то при нагріванні вище 180oС вийде рідкий розчин, в якому будуть присутні нерозплавлений шматки твердого розчину на основі олова. Очевидно, що кількість нерозплавленого свинцю в першому випадку, як і кількість нерозплавленого олова в другому, визначається температурою і буде зменшуватися в міру її зростання; при деякій температурі отримаємо повністю рідкий сплав. Для того, щоб описати всі можливі ситуації, побудуємо наступну діаграму: відкладемо по осі абсцис концентрацію свинцю, а по осі ординат - температуру. На отриманій в результаті координатної площині відкладемо температури початку затвердіння для сплавів різного складу (з різною концентрацією свинцю). В результаті отримаємо діаграму, показану на рис. 3.2.1.

По горизонталі діаграми стану відкладається концентрація, по вертикалі - температура. Кожна точка діаграми відповідає сплаву певного складу, що знаходиться при певній температурі в умовах рівноваги. Зазвичай будуються діаграми стану подвійних сплавів, рідше - потрійних сплавів. За допомогою діаграм стану визначають, які температура плавлення і інтервали поліморфних перетворень в сплавах, скільки фаз є в сплаві даного складу при даній температурі, які ці фази і яке їхнє кількісне співвідношення в сплаві. Як конкретно це робиться - можна прочитати в будь-якому підручнику матеріалознавства (див. Правило відрізків і правило фаз). Деякі лінії на діаграмі стану мають спеціальні назви. Наприклад, сплаву заданого складу відповідає вертикальна лінія - її називають лінією сплаву (рис. 3.2.2). Крива, що задає температури, вище яких сплави знаходяться в рідкому стані, називається лінією ликвидус. Вона являє собою геометричне місце точок на діаграмі стану, що відповідають початку затвердіння. Крива, відповідна температур, нижче яких сплави знаходяться в твердому стані, називається лінією солидус. Вона являє собою геометричне місце точок на діаграмі стану, відповідних кінця процесу затвердіння. На діаграмі стану є ще й інші дуже цікаві лінії, такі, як Коноді. лінія сольвуса і ін. Детальніше познайомитися з ними можна в спеціальній літературі (див. рекомендаційний список в кінці глави).