ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Правило фаз и диаграммы состояния из "Материаловедение 1972 " Процесс кристаллизации металлических сплавов и связанные с ним многие закономерности строения сплавов описываются с помощью рассматриваемых ниже диаграмм состояния или диаграмм фазового равновесия. Эти диаграммы в удобной графической фэрме показывают фазовый состав и структуру в зависимости от температуры и концентрации. Диаграммы состояния строят для условий равновесия. [c.91] Равновесное состояние соответствует минимальному значению свободной энергии. При данной температуре и давлении в условиях равновесия свободная энергия системы должна оставаться неизменной, т. е. работа внутренних сил должна быть равна нулю. Поэтому равновесное состояние сплавов называется также стабильным потому, что такое состояние не подвергается самопроизвольному изменению во времени. Это состояние может быть достигнуто только при очень малых скоростях охлаждения. Стабильное равновесие в практических условиях достигается редко. В подавляющем числе случаев сплавы находятся в метастабильном состоянии. Под мета-стабильным состоянием понимают состояние веществ, обладающих ограниченной устойчивостью и переходящих под влиянием внешних воздействий в другие более устойчивые состояния. Поэтому рассмотрение диаграмм состояния позволяет определить фазовые превращения при нагреве в условиях очень медленного охлаждения. Эти диаграммы характеризуют, таким образом, окончательное состояние сплавов, т. е. полученное после того, как все превращения в них произошли и кристаллизация полностью закончилась. [c.91] Это состояние сплава характеризуется числом и концентрацией образовавшихся фаз и зависит, следовательно, от внешних условий (температуры, давления). Закономерность изменения числа фаз в сплаве определяется правилом фаз. [c.91] Ф — число фаз, находящихся в равновесии. [c.92] Под числом степеней свободы понимают возможность изменения температуры и давления без изменения числа фаз, находящихся в равновесии. [c.92] При изучении химических равновесий за внешние факторы, влияющие на состояние сплава, принимают температуру и давление. При применении правила фаз к металлам можно принять изменяющимся только один внешний фактор — температуру (так как давление, за исключением очень высокого, мало влияет на число фаз металлических сплавов в твердом и жидком состоянии). [c.92] Если в равновесии находится максимальное число фаз, то число степеней свободы системы равно нулю (С = 0). Такое равновесие называется нонвариантным (безвариантным). [c.92] При нонвариантном равновесии сплав может существовать только в совершенно определенных условиях при постоянной температуре и определенном составе всех находящихся в равновесии фаз. Это означает, что превращение начинается и заканчивается при одной постоянной температуре. [c.92] В случае уменьшения числа фаз на одну против максимально возможного число степеней свободы возрастает на единицу (С = 1). Такая система называется моновариантной (одновариантной). Когда С = 2, система бивариантна (двувариантна). [c.92] Например, сплав из двух компонентов при затвердевании является двухкомпонентной и двухфазной системой. В этом случае С = I, следовательно, можно (в определенных пределах) изменять внешний фактор равновесия — температуру без изменения числа фаз, т. е. состояния сплава. Такой сплав в отличие от чистого металла кристаллизуется в интервале температур. [c.92] В сплавах равновесие фаз достигается не при равенстве их свободных энергий, а при равенстве первых производных от свободной энергии по концентрации, т. е. [c.93] 3 — свободные энергии первой, второй и третьей фаз Сх, Сг, Сз — концентрации фаз. [c.93] В том случае, когда первые производные свободной энергии по концентрации для существующих фаз не равны между собой, система находится в неравновесном состоянии и протекает фазовое превращение. [c.93] Изменение свободной энергии в зависимости от химического состава сплава для однофазной системы показано на рис. 60, а. Если в равновесии находятся две фазы, например два твердых раствора а и р, то свободная энергия системы при постоянной температуре и давлении складывается из свободной энергии этих фаз. Свободная энергия сплава будет находиться на прямой, соединяющей точки, отвечающие свободной энергии обеих фаз, и делит эту прямую на отрезки, обратно пропорциональные весовым количествам фаз. Если фазы имеют переменный состав (наиболее частый случай), то изменение свободной энергии фаз в зависимости от концентрации описывается кривыми и Р, . [c.93] Состав фаз, находящихся в равновесии при данной температуре, соответствует точкам и (рис. 60, б), так как первые производные свободной энергии по концентрации у них равны, или графически для обеих кривых и, можно провести только одну касательную аб. Двухфазное состояние в условиях равновесия соответствует концентрациям, лежащим в пределах и С , где свободная энергия Смеси двух фаз а-состава и р-состава С , определяемая точками на прямой аб, меньше свободной энергии отдельных фаз. Составы, имеющие концентрацию меньше, чем С , в условиях равновесия будут состоять только из а-фазы, а сплавы, имеющие концентрацию более С , из Р-фазы. [c.94] В двухкомпонентной системе при некоторых условиях, например нонвариантном равновесии (С = 0), могут одновременно существовать три фазы а, р и 7, например жидкая фаза и два твердых раствора. [c.94] При данной температуре в равновесии могут существовать (см. рис. 60, б) одна а-фаза в сплавах, имеющих концентрацию менее С, три фазы а, р и у, в сплавах, имеющих концентрацию в пределах С — С , и состав, отвечающий точкам С , и (изменение состава в пределах от С, до С, не изменяет равновесного состава фаз, а приводит только к изменению количественного соотношения между фазами) одна р-фаза устойчива в сплавах, имеющих концентрацию более С,. [c.94] При протекании фазовых превращений в сплавах вновь образующаяся фаза не обязательно должна иметь более низкий уровень свободной энергии, чем исходная фаза, но обязательно, чтобы в процессе фазового превращения свободная энергия в целом уменьшалась. По зависимостям изменения свободной энергии от температуры, концентрации и давления можно построить диаграммы состояния сплавов, не прибегая к эксперименту. [c.94] Диаграмма состояния для случая полной взаимной растворимости компонентов Л и В в жидком и твердом состояниях и изменение свободной энергии в зависимости от концентрации и температуры дана на рис. 61. На диаграмме можно различить три области фазовых состояний. При температуре выше линии Т аТв существует только жидкая фаза Ж- В этой области (р 1с. 61, б) свободная энергия жидкой фазы Р)к ниже свободной энергии твердого раствора Р . В области ниже линии Т бТв (рис. 61, а) устойчив твердый раствор компонентов Л и В (а-фаза), его свободная энергия меньше, чем жидкого раствора (рис. 61, г). [c.94] В настоящем учебнике рассматриваются диаграммы состояния, полученные экспериментальным путем. [c.95] Вернуться к основной статье