Диаграммы состояния сплавов двухкомпонентных систем

Сплавы - вещества, полученные сплавлением двух или более компонентов.
Вещества, образующие сплав, называются компонентами.
В сплавах компоненты могут различно взаимодействовать друг с другом, образуя те или иные фазы.
Фазой называется однородные части системы, имеющие одинаковые состав, агрегатное состояние, кристаллическое строение, свойства и поверхности раздела(границы), при переходе через которые свойства резко меняются.
Система – это совокупность взаимодействующих фаз, образующих сплав.
Понятие о сплавах

Классификация и структура сплавов

Твердыми растворами называют фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы другого или других компонентов располагаются в кристаллической решетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры .
Различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения.

Твердые растворы замещения:
с ограниченной растворимостью,
неограниченной растворимостью (Аg - Au), (Ni - Cu) , (Mo-W), (V - Ti)

Для образования неограниченных твердых растворов необходимо:
однотипность кристаллических решеток сплавляемых компонентов;
близость атомных радиусов компонентов (они не должны отличаться больше чем на 8…13%);
близость физико-химических свойств компонентов.
Твердые растворы обозначаются малыми буквами греческого алфавита: α, β, γ…

Характерные особенности:
наличие нового типа кристаллической решетки, отличного от типа решеток сплавляемых компонентов;
постоянство состава, которое может быть выражено формулой химического соединения АmBn;
постоянство температуры кристаллизации.
образование химического соединения сопровождается значительным тепловым эффектом
свойства химического соединения сильно отличается от свойств исходных элементов.
Химические соединения.

Примеры химических соединений:
1. соединения металлов с металлами, так называемые интерметаллиды, например, CuAl2, Ni3Al,
2. соединения металлов с неметаллами, например:
карбиды Fe3C (цементит), VC, WC4
нитриды TiN, , Fe2N;
бориды CrB, Ni3B.
Химические соединения:
Химическое соединение алюминия с медью

Механическая смесь двух компонентов А и В образуется, если они не способны к взаимодействию или взаимному растворению.
Каждый компонент кристаллизуется в свою собственную кристаллическую решетку.
Структура данных механических смесей неоднородна, состоит из отдельных зерен компонента А и компонента В.
Механическая смесь.
Условное обозначение
механических смесей

Общие закономерности сосуществования устойчивых фаз, отвечающих условиям равновесия, могут быть выражены в математической форме, называемой правилом фаз или законом Гиббса.
Правило фаз (или закон Гиббса) дает количественную зависимость между степенью свободы системы и количеством фаз и компонентов:
C = K – F + Р,
где Р – количество внешних фактор-температура и давление.
Считаем для металлов давление постоянным: C = K – F + 1,
C – число степеней свободы, т.е. число внешних (температура и давление) и внутренних ( концентрация) факторов, которые можно изменить без изменения числа фаз;
K – число компонентов в системе;
F – число фаз.
ПРАВИЛО ФАЗ

Пример:
если С = 0, то любое изменение температуры вызывает изменение числа фаз;
если С = 1, то возможно изменение температуры без изменения числа фаз.
В жидком состоянии: F = 1 – одна фаза; К = 1 – один компонент (чистый металл); С = 1- 1 + 1 = 1
С = 1– можно изменять температуру без изменения агрегатного состояния.
В момент кристаллизации: F = 2 – две фазы (жидкость + кристаллы) K = 1 – один компонент (чистый металл);
C = 1 – 2 + 1 = 0 С = 0 – равновесие при строго определенной температуре (Тпл).

Диаграмма состояния – это графическое изображение состояния сплава в зависимости от температуры и концентрации компонентов.
Диаграмма строится по кривым охлаждения сплава в координатах:
Т°С – концентрация компонентов.
Диаграмма состояния позволяет:
определить температуру начала и конца кристаллизации,
рассчитать концентрацию компонентов и количество фаз при определенной температуре.
Имеется 4 основных типа диаграмм состояния, на которых основывается теория сплавов
Основные равновесные диаграммы состояния двойных сплавов

В сплавах в зависимости от физико-химического взаимодействия компонентов могут образовываться следующие фазы: жидкие растворы ,
твердые растворы,
химические соединения,
механические смеси из сплавляемых компонентов,
промежуточные фазы.
Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение фазового состояния сплавов данной системы в функции температуры и концентрации.
Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов, числом фаз.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ НА ПАМЯТЬ

Диаграммы состояния
а – однокомпонентный сплав; б – двухкомпонентный сплав;
в - трехкомпонентный сплав

Построение диаграммы состояния
Ликвидус - кривая tAt1t3tB - геометрическое изображение зависимости температур начала кристаллизации (или завершения расплавления) от химического состава сплава.
Солидус - кривая tAt2t4tВ– геометрическое изображение на диаграмме состояния зависимости температуры конца кристаллизации (или начала плавления)
от химического состояния сплава.

Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии
Эта диаграмма соответствует сплавам, у которых компоненты в твердом состоянии формируется твердый раствор замещения с полной растворимостью компонентов: Cu-Ni, Fe-Cr, Co-Cr и др.
α – неограниченный твердый раствор
компонентов А и В друг в друге

Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью в жидком и полной нерастворимостью в твердом состояниях
Кривые охлаждения и диаграмма состояния сплавов
системы свинец - сурьма (Pb - Sb).

линия СДЕ – линия ликвидус, выше неё сплав находится в жидком состоянии;
линия FДK –линия солидус, ниже неё сплав находится в твердом состоянии.
В точке Д на диаграмме происходит кристаллизация из жидкости в механической смеси кристаллов А и В – эвтектики.

В зависимости от концентрации компонентов формируются
доэвтектические,
эвтектические и
заэвтектические
сплавы.
Эвтектика –это легкоплавкий сплав с самой низкой температурой кристаллизации(плавления) в рассматриваемой системе.

Правило концентраций устанавливает концентрации фаз при заданной температуре.
Через фигуративную точку проводят коноду.
Проекция точки пересечения коноды с линией ликвидус на ось концентрации определяет состав жидкой фазы.
Проекция точки пересечения коноды с линией солидус на ось концентраций определяет состав твердой фазы.
Правило отрезков –
устанавливает количественное
соотношение фаз при заданной
температуре.
Фигуративная точка делит
коноду на отрезки,
пропорциональные
количеству фаз.
Правило концентраций и отрезков.

Рисунок. - Определение состава фаз и их количества по правилу отрезков

Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии
Эвтектика –это легкоплавкий сплав с самой низкой температурой кристаллизации(плавления) в рассматриваемой системе.

Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния (правило Курнакова Н.С.)

Неограниченные твердые растворы замещения могут давать только те элементы, атомные диаметры которых отличаются не более чем на 8% (Cu - Ni, Co - Ni, Fe - C, Fe - Ni). Если различие атомных диаметров находится в пределах от 8 до 15 % образуются ограниченные твердые растворы.
Механическая смесь двух (или более) разнородных кристаллов, одновременно кристаллизующихся из жидкости, называется эвтектикой.
При кристаллизации доэвтектических и заэвтектических сплавов может иметь место явление, называемое ликвацией по удельному весу. Ликвацией по удельному весу называется неравномерное распределение фаз по объему слитка или отливки. Компоненты, имеющие меньший удельный вес, чем жидкость, будут всплывать; больший - оседать на дно.
Эвтектическим превращением называется превращение, когда жидкая фаза постоянного состава при постоянной температуре превращается в смесь двух твердых фаз.
Перитектическим называется превращение, когда при взаимодействии жидкой и твердой фаз при постоянной температуре образуется одна новая твердая фаза
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ НА ПАМЯТЬ

Абсолютно чистое железо (100%) на современном уровне развития техники получить невозможно.
Технически чистым считается железо, содержащее 99,8-99,9% Fe и 0,1- 0,2% примесей .
Температура плавления этого железа 1539oС.
Железо претерпевает полиморфные превращения при двух температурах 1392o и 911oС.
При температурах ниже 911oС существует Feα с решеткой ОЦК.
В интервале температур 911o и 1392oC устойчиво Feγ с решеткой ГЦК. Выше 1392oС до температуры плавления (1535oС) железо снова имеет решетку ОЦК и называется Feα (иногда, чтобы отличить низкотемпературное от высокотемпературного последнее обозначают Feβ).
ЖЕЛЕЗО И ЕГО СПЛАВЫ

Железо со многими элементами образует твердые растворы.
С углеродом Feα образует твердый раствор внедрения, называемый ферритом. При 727oС в Feα растворяется до 0,02%С, с понижением температуры до комнатной растворимость углерода в уменьшается до 0,006%.
С углеродом Feγ образует твердый раствор внедрения, называемый аустенитом. При 1147oС в Feγ растворяется до 2,14% С , с понижением температуры до 727o С растворимость Feα уменьшается до 0,8%С.

Химическое соединение железа с углеродом называется цементитом (Fe3C).
Цементит содержит 6,67%С и Тпл=1550оС.
Цементит - соединение неустойчивое и в определенных условиях может разлагаться на железо и углерод в виде графита.

Твердые растворы внедрения углерода и других примесей в α-железе называют ферритом, а в γ -железе – аустенитом.
Железо и углерод, взаимодействуя друг с другом, могут образовывать ряд металлических карбидов с различными химическими формулами: Fе3С, Fе2С, FеС и другие.
Fе3С – цементит.

Смесь кристаллов аустенита и цементита и называется ледебурит
Ледебурит - образуется в процессе эвтектического превращения по реакции
Ж =γ + Fe3C
Перлит имеет наиболее удачное сочетание механических свойств из всех равновесных структур в сплавах железа с углеродом.
П = Ф + Ц

Смеси.

Эвтектика - механическая смесь , состоящая из двух и более типов кристаллов. Образуется при строго определенной постоянной температуре из жидкого раствора строго определенного химического состава.
Эвтектоидная механическая смесь также образуется при строго определенной постоянной температуре, но только при распаде твердого раствора строго определенного химического состава.

Линии диаграммы DC, ES, PQ показывают предельную растворимость углерода соответственно в жидкости, аустените и феррите.
Первичный цементит(ЦI) – выделяется во время охлаждения сплавов (более 4,3%С) при достижении температуры, соответствующей линии DC.
Вторичный цементит (ЦII) – выделяется при охлаждения сплавов, лежащих правее линии ES.
Третичный цементит(ЦIII) – выделяется из феррита(линия PQ).

Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов
Компонентами в сплавах железа с углеродом являются металл железо и неметалл углерод.
Сложный вид диаграммы Fe –Fe3C объясняется тем, что железо обладает полиморфными превращениями в твердом виде.