ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы ДИАГРАММА ФАЗОВОГО РАВНОВЕСИЯ И СТРУКТУРА СПЛАВОВ Термодинамические условия равновесия фаз в сплавах из "Металловедение и термическая обработка металлов " Процесс кристаллизации металлических сплавов и связанные с ним многие закономерности строения сплавов описывают с помощью рассматриваемых ниже диаграмм состояния или диаграмм фазового равновесия. Эти диаграммы в удобной графической форме показывают фазовый состав и структуру в зависимости от температуры и концентрации. Диаграммы состояния строят для условий равновесия или достаточно близких к ним. [c.93] 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. Равновесное состояние сплавов называют также стабильны потому, что оно е подвергается самопроизвольному изменению во времени. Это состояние может быть достигнуто только при очень малых скоростях охлаждения или длительном нагреве. Помимо того, истинное равновесие в практических условиях достигается редко. В подавляющем числе случаев сплавы находятся в метастабильном состоянии, т. е. в таком состоянии, когда сплавы обладают ограниченной устойчивостью и под влиянием внешних воздействий переходят в другие более устойчивые состояния, так как их свободная энергия больше минимальной. Поэтому рассмотрение диаграмм состояния позволяет определить фазовые превращения при нагреве и в условиях очень медленного охлаждения или нагрева. Эти диаграммы характеризуют, таким образом, окончательное или предельное состояние сплавов, т. е. полученное после того, как все превращения в них произошли и полностью закончились. [c.93] Это состояние сплава зависит, следовательно, от внешних условий (температуры, давления) и характеризуется числом и концентрацией образовавшихся фаз. Закономерность изменения числа фаз в гетерогенной системе определяется правилом фаз. [c.93] Ф — число фаз, находящихся в равновесии. [c.94] Под числом степеней свободы (вариантностью системы) понимают возможность изменения температуры, давления и концентрации без нзмепения числа фаз, находящихся в равновесии. [c.94] При изучении физико-химических равновесий за внешние факторы, влияющие на состояние сплава, принимают температуру и давление. Применяя правило фаз к металлам, можно во многих случаях принять изменяющимся только один внешний фактор — температуру, так как давление, за исключением очень высокого, мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях. [c.94] Тогда уравнение примет следующий вид С=/С+1 — Так как число степеней свободы не может быть меньше нуля и не может быть дробным числом, то К—Ф + 1 0, а Ф К+1,т. е. число фаз в сплаве, находящемся в равновесном состоянии, не может быть больше, чем число компонентов, плюс единица. Следовательно, в двойной системе в равновесии может находиться не больше трех фаз, в тройной — не больше четырех и т. д. [c.94] Если в равновесии в системе с определенным числом компонентов находится максимальное число фаз, то число степеней свободы системы равно нулю (С=0). Такое равновесие называют нонварпантным (безвариантным). При нонвариантном равновесии сплав из данного числа фаз 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.94] Например, чистый металл при температуре затвердевания представляет однокомпонентную систему (/(=1), состоящую из двух фаз (жидкий и твердый металл). В этом случае система нонвариантна, так как С= 1-[-1—2 = 0. [c.94] В случае уменьшения числа фаз на одну против максимально возможного число степеней свободы возрастает на единицу (С = = 1). Такую систему называют моновариантной (одновариантной). Когда С=2, система бивариантна (двухвариантна). [c.94] Например, сплав из двух компонентов при температуре затвердевания является двухкомпонентной и двухфазной системой. В этом случае С=1, следовательно, можно (в оиределенны.х пределах) изменять внешний фактор равновесия — температуру без изменения лa фаз, но при этом каждой заданной температуре будет отвечать определенная концентрация этих фаз. Такой сплав в отличие от чистого металла кристаллизуется в интервале температур. [c.94] Точка Рс (рис. 50,6), характеризующая свободную энергию сплава состава Сс. лежит на прямой, соединяющей точки, характеризующие свободную энергию а- и 3-фаз Ра. и р), и делит эту прямую на отрезки, обратно пропорциональные весовым количествам а- и р-фаз. [c.95] Если а- и р-фазы, образующие данную систему, могут изменять свой состав, то свободная энергия каждой фазы в зависимости от концентрации может изменяться так, как это показано на рис. 50,6. [c.96] Состав фаз, находящихся в равновесии при данной температуре, отвечает точкам С и Ср (рнс. 50,в). Двухфазное состояние соответствует концентрациям, лежащим в пределах Са и Сз, где свободная энергия смеси двух фаз -состава С и р-состаза Ср определяемая точками на прямой аб, меньше свободной энергии отдельных фаз. Составы, имеющие концентрацию меньше, чем Са, в условиях рзвновесия будут состоять только из а-фазы, а сплавы с концентрацией более Ср из р-фазы. [c.96] В двухкомпонентной системе при некоторых условиях, например, нонвариантном равновесии (С=0), могут одновременно сосуществовать три фазы, например жидкая фаза и два твердых раствора. [c.96] При данной температуре в равновесии могут существовать (см. рис. 50,г) одна а-фаза в сплавах, имеющих концентрацию менее С а три фазы а, р и у, в сплавах концентрации в пределах Са — Сц И состава, отвечающего точкам Са, СуИ Ср (изменение состава в пределах от Са до Ср не изменяет равновесного состава фаз, а приводит только к изменению количественного соотношения между фазами) одна р-фаза устойчива в сплавах, имеющих концентрацию более р. [c.96] При протекании фазовых превращений в сплавах вновь образующаяся фаза не обязательно должна иметь более низкий уровень свободной энергии, че.м исходная, но обязательно должно быть, чтобы в процессе фазового превращения свободная энергия системы в целом уменьшалась. [c.96] По кривым свободной энергии можно геометрическим путем построить основные типы диаграмм состояния. [c.96] Обычно диаграммы состояния строят экспериментально, а термодинамические равновесия и правила фаз используют для анализа опытных данных. Диаграммы состояния строят в координатах температура — концентрация в весовых или реже в атомных процентах. [c.96] Диаграммы состояния, построенные по экспериментальным данным, не отвечают состоянию истинного равновесия, так как получены в условиях реальных скоростей охлаждения. Однако они качественно согласуются с диаграммами состояния, полученными исходя из термодинамических условий равновесия фаз, и поэтому к ним можно применять общие условия равновесия фаз, в том числе и правило фаз. [c.97] Вернуться к основной статье