Контрольная работа: Диаграммы состояния
Через точку С проходит сплав содержащий 35% компонента В и, соответственно, 65% компонента А .
Каждая точка на диаграмме состояния показывает состояние сплава данной концентрации при данной температуре. Каждая вертикаль соответствует изменению температуры определенного сплава. Изменение фазового состояния сплава отмечается на диаграмме точкой.
Линии, соединяющие точки аналогичных превращений, разграничивают на диаграмме области аналогичных фазовых состояний.
Вид диаграммы состояния зависит от того, как реагируют оба компонента друг с другом в твердом и жидком состоянии, то есть, растворимы ли они в жидком и твердом состоянии, образуют ли химические соединения и так далее.
Обычно диаграммы состояния строят, экспериментально используя термический анализ, то есть строят кривые охлаждения и по остановкам и перегибам на этих кривых, вызванным тепловым эффектом превращений, определяют температуры превращений. Эти температуры называют критическими точками.
Температуру металлов измеряют обычно при помощи термопары.
Имея достаточное количество сплавов, и определив в каждом сплаве температуры превращений, можно построить диаграмму состояния.
Рисунок 3. Построение кривых охлаждения
Диаграмма состояния показывает, какую структуру будет иметь медленно охлажденный сплав при любой температуре.
2. Кристаллизация сплавов. Диаграммы состояния сплавов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии. Кристаллизация твердых растворов. Правило концентраций и отрезков
2.1 Диаграмма состояния сплавов, образующих неограниченные твердые растворы
Диаграмма состояния для случая полной взаимной растворимости компонентов А и В в жидком и твердом состояниях в зависимости от концентрации и температуры дана на рис.1.
Рисунок 1. Диаграмма состояния с неограниченной растворимостью компонентов
Если два компонента неограниченно растворяются в жидком и твердом состояниях, то возможно существование только двух фаз - жидкого раствора Ж ( L) и твердого раствора (a). Следовательно, трех фаз быть не может, кристаллизация не наблюдается при постоянной температуре и горизонтальной линии на диаграмме нет.
При температуре выше линии tА а tВ , называемой линией ликвидус, существует только жидкая фаза Ж . В этой области свободная энергия жидкой фазы Fж ниже свободной энергии твердого раствора Fa , состоящего из компонентов А и В .
В области ниже линии tА б tВ , называемой линией солидус, устойчив a - твердый раствор, так как Fa < Fж .
Между линиями ликвидус и солидус в равновесии находятся жидкая фаза и a-твердый раствор.
Диаграмма состояния строится методом термического анализа.
Кристаллизация чистого компонента А : равномерное понижение температуры до значения tА (температура плавления компонента А ), при которой компонент А затвердевает (до tА - С = 1 + 1 - 1 = 1). На кривой отмечается остановка (горизонтальная линия), так как согласно правилу фаз только при этой температуре одновременно могут существовать две фазы - твердая и жидкая (С=1+1-2=0). После затвердевания (Ф = 1), температура снова равномерно понижается С = 1 + 1 - 1 = 1. Аналогично для компонента В (рисунок 1).
При охлаждении сплава I температура понижается до t1 (C=2+1-1=2), при которой начинается кристаллизация, на кривой охлаждения наблюдается перегиб, связанный с уменьшением скорости охлаждения вследствие выделения скрытой теплоты кристаллизации.
Начиная от температуры t1 , из Ж -фазы кристаллизуется твердый раствор. Процесс кристаллизации идет при понижающейся температуре (С=2+1-2=1), существует две фазы: Ж и a.
При достижении t2 сплав затвердевает и при более низких температурах существует только a - твердый раствор.
Если найденные точки перенести на диаграмму, и одноименные точки соединить плавными линиями, то получится диаграмма состояния системы сплавов А и В , образующих непрерывный ряд твердых растворов (рисунок 1).
В интервале температур между линиями ликвидус и солидус две фазы - жидкий сплав и a- твердый раствор.
2.2 Кристаллизация твердых растворов
Рассмотрим более подробно процесс кристаллизации сплава, содержащего 60% компонента В. При температуре t1 сплав находится в жидком состоянии. В нем имеется равновесный набор фазовых и концентрационных флуктуаций (отклонение от среднего химического состава). При охлаждении в интервале температур t1 до t2 - количество размер флуктуаций при охлаждении увеличивается по отношению к a- фазе. Ниже т.2, (то есть примем т.3) начинается процесс кристаллизации, критический размер зародыша достигает максимальной величины. Ниже t2 сплав является двухфазным (Ж и a - кристаллы). Двухфазное состояние существует в интервале температур t2 - t5 (рисунок 2).
Рисунок 2.
В процессе кристаллизации (при каждой Т0 С) изменяется и концентрация фаз, и количество каждой фазы (при кристаллизации количество твердой фазы увеличивается, а жидкой уменьшается). В любой точке диаграммы, когда существует две фазы, можно определить количество обеих фаз и их концентрацию. Для этого служит правило рычага, или правило отрезков.
2.3 Первое правило отрезков (правило концентраций)
Чтобы определить концентрации компонентов в фазах, через данную точку, характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию (коноду) до пересечения с линиями (ликвидус и солидус) ограничивающими данную область; проекции точек пересечения на ось концентраций показывают концентрацию компонентов в фазах (или составы фаз).