Понятия о диаграммах состояния и методика их построения

Диаграммы состояния графически показывают, как с изменением температуры и химического состава сплава изменяется его структура, количество и состав фаз, находящихся в равновесии.

Если система однокомпонентная (например, чистый металл), то её диаграмма состояния будет иметь одно измерение (шкала температур), и соответствующие точки на вертикальной прямой покажут равновесную температуру изменения агрегатного состояния. Если в системе два компонента, то диаграмму строят в координатах « температура - концентрация сплава» (рис.3.)

Рис.3. Система координат для диаграммы состояний сплавов «олово-цинк».

По оси ординат откладывают температуру, до оси абсцисс -концентрацию сплавов. Следовательно, крайние ординаты на диаграмме соответствуют чистым компонентам, а между ними можно расположить множество ординат различных по составу между этими компонентами; например, 25% Zn и 75% Sn; 50%Zn и 50% Sn; 75% Zn и 25% Sn и т.д.

Сама диаграмма может быть построена только экспериментально, хотя в настоящее время разработаны теоретические методы расчёта диаграмм по термодинамическим функциям с применение ЭВМ. Используя термический метод анализа, строят кривые охлаждения для обоих чистых компонентов системы и для возможно большего количества сплавов с различной концентрацией этих компонентов.

Так, например, в системе «олово - цинк» кривые охлаждения некоторых сплавов имеют вид, представленный на рис.4.

Рис.4. Кривые охлаждения чистых компонентов и некоторых сплавов

системы «олово-цинк».

По кривым охлаждения для каждого сплава определяют его критические точки. В рассматриваемой системе « олово-цинк» у сплавов может быть не более двух критических точек, причём первая из них соответствует началу кристаллизации, а вторая - концу кристаллизации.

Далее в системе координат « температура - концентрация сплавов» каждый из исследованных сплавов обозначают соответствующей ему ординатой, на которую наносят критические точки данного сплава. Соединив плавными линиями точки, соответствующие началу кристаллизации всех сплавов, и точки конца кристаллизации всех сплавов, получают геометрический образ диаграммы состояний системы «олово - цинк». Наконец, в каждой из областей расставляют присутствующие в них фазы. Диаграмма практически готова. Окончательный вид диаграммы состояний системы «олово - цинк» показан на рис.5.

Рис.5. Диаграмма состояний сплавов системы «олово - цинк».

Рассмотрим процессы, происходящие при охлаждении сплавов этой системы из жидкого состояния.

Линия АСВ, представляющая собой множество точек начала кристаллизации сплавов, называется линией ликвидус. Линия ДСЕ соответствует температурам окончания кристаллизации всех сплавов (кроме чистых компонентов) и называется линией солидус.

Для начала рассмотрим, как происходит кристаллизация сплава, содержащего 9% Zn и 91% Sn. Как видно из диаграммы и кривой охлаждения этого сплава, он имеет одну критическую точку, т.е. кристаллизуется при постоянной температуре, подобно чистому металлу. Отсюда следует, что из жидкой фазы одновременно выделяются кристаллы обоих компонентов, т.е. олова и цинка. Подобное превращение называется, эвтектическим, а образующаяся в результате структура - эвтектикой или эвтектической смесью. Она действительно представляет собой смесь кристаллов олова и цинка, так как оба компонента в твёрдом состоянии практически нерастворимы друг в друге и не взаимодействуют химически. Это приводит к образованию самостоятельных кристаллов каждого компонента. Схематически это превращение можно записать следующим образом:

Ж↔(Sn + Zn),

Где стрелками показано, что при нагревании превращение идёт в обратную сторону. Окончательная структура такого сплава схематично изображена на рис. 6б.

Рис.6. Схема микроструктур сплавов различной концентрации системы

«олово - цинк».

а) Доэвтектический.

б) Эвтектический.

в) Заэвтектический.

В сплавах с концентрацией цинка менее 9% (такие сплавы называются доэвтектическими) кристаллизация начинается на линии АС. При этом из жидкости начинают выделяться избыточные кристаллы чистого олова, так как концентрация олова в этих сплавах превышает эвтектическую. Такое превращение записывается следующим образом:

На линии ДСЕ оставшаяся жидкость кристаллизуется при постоянной температуре в смесь (Sn + Zn) по той же реакции, как и в предыдущем доэвтектическом сплаве. Окончательная структура подобных сплавов -избыточные кристаллы олова и эвтектика (рис.ба).

В заэвтектических сплавах (более 9% цинка) кристаллизация начинается с выделения кристаллов избыточного цинка, а затем оставшаяся жидкость на линии ДСЕ при постоянной температуре превращения в эвтектику. Структура заэвтектических сплавов, таким образом, состоит из кристаллов цинка и эвтектики (рис.бв).

Что касается кристаллизации чистых компонентов, то она происходит, как и у других металлов при постоянной температуре - 232°С для олова и 419,5°С для цинка. В результате получаются однородные кристаллы соответствующего металла.

Диаграмма состояний сплавов олова и цинка представляет собой крупное научное обобщение, она избавляет от необходимости запоминания громадного цифрового материала - всех температур затвердевания и плавления многочисленных сплавов. Проведя вертикаль, отвечающую любому составу сплава , по точкам пересечения её с линиями диаграммы определяют температуру начала и конца затвердевания или плавления сплава. Кроме того, диаграмма содержит в себе большое количество другой не менее важной информации.