Классификация двойных систем

Правило фаз является определяющим при анализе диаграмм состояния металлических (и других) систем. Диаграмма состояния — это графическое изображение на плоскости или в пространстве фазовых равновесий в различных сплавах в координатах состав — температура при постоянном давлении. Синонимами термина «диаграмма состояни я» являются термины «диаграмма фазовых равновесий» и «фазовая диаграмма».

Диаграммы состояния металлических систем показывают фазовые равновесия в сплавах при разных температурах. Правило фаз позволяет определить максимально возможное число равновесных фаз в сплавах (или максимальное число степеней свободы сплава с заданным числом равновесных фаз), т. е. оценить возможность того или иного равновесия в заданных условиях. Например, двухкомпонентный (или двойной) сплав при постоянном давлении может состоять максимум из трех равновесных фаз (/= 3 при к = 2 и С = 0), но находиться в равновесии эти фазы могут только при единственной температуре. Если при исследовании фазового состава такого сплава окажется, что он состоит из трех фаз при разных температурах, то одна из фаз является неравновесной.

В зависимости от характера взаимодействия компонентов различают разные типы двойных систем и их диаграмм состояния. В металловедении обычно используются сплавы, находящиеся в твердом состоянии, поэтому двойные (и более сложные) системы можно разделить, прежде всего, на две группы в зависимости от того, какие фазы образуются в этих системах: твердые растворы на основе компонентов и промежуточные фазы (рис. 5.1).

Твердые растворы на основе компонентов могут быть непрерывными (от Л до В) или граничными. К промежуточным фазам относятся химические соединения (фазы постоянного состава) и твердые растворы на их основе (фазы переменного состава). Разделение систем первой группы (см. рис. 5.1) связано с учетом вариантности преобладающего фазового равновесия, в котором участвуют твердые растворы па основе компонентов, а деление систем второй группы — с уче;

Рис. 5.1. Классификация двойных систем, но фазам

том протяженности области гомогенности промежуточных фаз на диаграмме состояния при заданной (например, комнатной) температуре.

Деление промежуточных фаз на фазы постоянного и переменного состава в значительной степени условно, так как в природе вообще, а в металлических системах в частности, не встречаются фазы постоянного состава (определенные химические соединения), а есть только фазы переменного состава. Однако области гомогенности отдельных фаз настолько узки (как и области граничных растворов на основе компонентов), что ими можно пренебречь.

При моповариантном равновесии в двойных системах, в зависимости от агрегатного состояния и кристаллической структуры фаз, можно представить следующие двухфазные равновесия:

• • Ж <�—⁵— а — равновесие жидкого и твердого раствора на основе одного из компонентов;
• • otj? а₂ — равновесие двух твердых растворов па основе одного или разных компонентов (оба раствора имеют одинаковую кристаллическую структуру и отличаются только химическим составом);
• • а <�—*• р — равновесие двух твердых растворов на основе одного или разных компонентов (оба раствора имеют разную кристаллическую структуру и отличаются химическим составом) и, а а^А — равновесие неупорядоченного и упорядоченного твердых растворов (оба раствора имеют разную кристаллическую структуру и могут отличаться химическим составом);
• • Ж₂ — равновесие двух жидких растворов на основе одного или разных компонентов, наблюдаемое при ограниченной растворимости компонентов в жидком состоянии (расслоении); в металлических системах не встречается.

Любое нонвариантное равновесие (С = 0), в том числе и трехфазное, характеризуется тем, что реализуется при постоянной температуре и при неизменных составах всех равновесных фаз. В двойных металлических системах встречаются следующие нонвариантные равновесия с участием одной или двух жидких фаз:

• • монотектическое — Ж Ж₂ + Р;
• • эвтектическое — Ж <�—⁵— а + р;
• • перитектическое — Ж + Р? а;
• • синтектическое — Ж_{ + Ж₂ а;
• • метатектическое — р ³? Ж + а, где аир — граничные растворы на основе компонентов (или промежуточные фазы).

Синтектическое и метатектическое равновесия в металлических системах встречаются редко.

В твердом состоянии возможны следующие нонвариантные (С = 0) равновесия:

• • эвтектоидное — р? а + у;
• • перитектоидное — у <�—³— а + Р;
• • монотектоидное — Pi ^> а + р₂.

Экспериментальное построение диаграмм состояния возможно потому, что любое фазовое превращение сплава отмечается изменением физико-механических свойств либо тепловым эффектом. Переход сплава из жидкого состояния в твердое сопровождается значительным выделением теплоты, поэтому, измеряя температуру при нагреве или охлаждении в функции времени, можно определить температуры, при которых происходят фазовые превращения.

Рис. 5.2. Схема изменения относительной длины железного образца в зависимости от температуры нагрева

Для того чтобы зафиксировать превращения в твердом состоянии, сопровождаемые малыми тепловыми эффектами, обычно наблюдают за какойлибо физической величиной, значительно изменяющейся при фазовых превращениях (электрические, магнитные и другие свойства). На рис. 5.2 приведена температурная зависимость относительной длины железного образца А/. При температуре 911 °C наблюдается уменьшение длины образца, что указывает на переход железа из одного фазового состояния в другое, а при температуре 1392 °C отмечается новое превращение. Эти физические эффекты свидетельствуют о фазовых превращениях, не раскрывая атомного строения этих фаз.

Для экспериментального построения диаграммы состояния сплавов, образованных компонентами А и В, необходимо изготовить серию сплавов с различным содержанием этих компонентов. Для каждого сплава экспериментально, по кривым охлаждения, определяют критические точки, т. е. температуры фазовых превращений. Полученные значения температуры откладывают на вертикальных линиях в соот;

Рис. 53. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых полностью растворимы в жидком и твердом состояниях.

ветствии с химическим составом сплавов. Соединяя критические точки, получают линии диаграммы состояния (рис. 5.3). Левая крайняя точка на горизонтальной оси соответствует 100% содержания одного из компонентов (А). Процентное содержание второго компонента (В) откладывается по этой оси слева направо. Правая крайняя точка соответствует 100% второго компонента.

Диаграммы состояния двойных систем с перечисленными монои нонвариантными равновесиями можно построить и теоретическим путем, используя методы геометрической термодинамики^[1] — науки, привлекающей закономерности геометрии (в том числе начертательной и аналитической) для описания и наглядного представления термодинамических величии и их функций. В данном издании это не рассматривается.

• [1] Гиббс Дж. В. Термодинамика. Статистическая механика. М.: Наука, 1982; Жуков А. А. Геометрическая термодинамика сплавов железа. 2-е изд., перераб. М.: Металлургия, 1979.