11. Химические соединения, твердые растворы, механические смеси.

Сплавы обладают металлическими свойствами и состоят из двух элементов и более. Элементы, входящие, в состав сплавов, называют компонентами.

Компоненты сплавов, в процессе затвердевания и последующего охлаждения могут образовывать химические соединения, твердые растворы на базе одного из компонентов или нового химического соединения и механические смеси.

Химические соединения, образующиеся на основании общих химических законов (валентности, ионной связи), могут быть выражены химическими индексами. Обычно химические соединения повышают твердость и хрупкость металлов и, как правило, имеют кристаллическую решетку другого типа, чем у каждого из элементов в отдельности.

Твердые растворы — сплавы, у которых атомы растворимого элемента рассеяны в кристаллической решетке растворителя; растворимый элемент может замещать часть атомов основного металла или внедряться между ними, но без образования молекул определенного состава. В железоуглеродистых сплавах Fe—С атомы углерода внедряются в поры решетки Fe. В отличие от химических соединений состав твердых растворов непостоянен и зависит от температуры и концентрации (проникания одного элемента кристаллической решетки в другой). Кристаллическая решетка твердого раствора сохраняет тип решетки одного из компонентов, который по этому признаку считается растворителем.

Механические смеси (эвтектики, эвтектоиды) — микроскопически малые, тесно перемешанные и связанные между собой компоненты сплава, состоящие из чистых металлов, твердых растворов и химических соединений. Эвтектики образуются из жидкого сплава при охлаждении и характеризуются самой низкой температурой затвердевания смеси, хорошими литейными качествами и высокими механическими свойствами. Эвтектоиды образуются при распаде твердого раствора. Эвтектические и эвтектоидные смеси возникают при определенной концентрации отдельных составляющих и определенной температуре. В сплавах, отличных по составу от эвтектических, при затвердевании в первую очор^Аъ выпадает компонент, избыточный по отношению к эвтектическому.

Изменения структуры и свойств сплавов с изменением концентрации и температуры в наглядной форме представлены на диаграммах состояния сплавов. Эти диаграммы не содержат фактора времени и соответствуют условию очень медленного нагрева и охлаждения.

12. Построение диаграмм состояния двойных систем. Правило фаз.

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображе­ние фазового состояния сплавов данной системы в функции темпера­туры и концентрации (рис. 17).

Р ис. 17. Метод построения диаграмм состояния

 Левая крайняя точка на оси концентраций соответствует 100 % содержанию компонента А. Процентное содержание второго компо­нента откладывается по этой оси слева направо. Правая крайняя точка соответствует 100 % содержанию второго компонента В.

Наличие в сплавах промежуточных фаз, образующихся в сплавах в интервале концентраций между чистыми элементами или твердыми растворами на их основе, позволяет рассматривать части диаграммы, между такой фазой и любым из элементов, независимо друг от друга.

Диаграммы состояний строят экспериментально. Для построения диаграммы состояний сплавов, образованных компонентами А и В, необходимо изготовить серию сплавов, содержащих различные количества компонентов А и В. Для каждого такого сплава экспериментально строят кривые охлаждения и определяют по ним критические точки,  т. е. температуры фазовых превращений. Полученные значения критических точек изучаемых сплавов откладывают на вертикальных линиях, соответствующих химическому составу этих сплавов. Затем соединяют критические точки, соответствующие определенным фазовым превращениям, и получают линии диаграммы состояний. Линия MKN геомет­рическое место всех верхних точек, которые определяют температуры начала кристаллизации сплавов. Ее называют линией ликвидус (ликва  по латыни означает жидкий). Линия MP'N – геометрическое место всех нижних критических точек, которые определяют температуры конца кристаллизации сплавов. Ее называют линией солидус (солид  твердый). Эти линии разделяют диаграмму состояний на области определенного фазового состава. Экспериментально построенные кривые охлаждения и диаграммы состояний проверяют по правилу фаз.

Правило фаз устанавливает температурные условия процесса кристаллизации при заданном давлении, а также определяет, сколько фаз должно быть в чистом компоненте или в сплаве определенного состава, если они находятся в равновесном состоянии при данной температуре (или давлении).

Равновесное фазовое состояние сплава определяется составом фаз, температурой и давлением. Число факторов, которые можно ме­нять, не изменяя фазового состава сплава, называют степенью свободы.

Степень свободы C определяется числом компонентов К и числом фаз Ф, имеющихся в сплаве при данной температуре и давлении:

C = К + 2 – Ф

Обычно диаграммы состояний строят для постоянного (атмосфер­ного) давления. В этом случае формула принимает вид:

C = К + 1 – Ф.

Для чистых компонентов степень свободы может принимать зна­чения 0 или 1. В первом случае фазовый состав сохраняется неизмен­ным только при постоянной температуре. Во втором – при изменении температуры. Например, в процессе кристаллизации чистого элемента одновременно существуют две фазы (жидкая и твердая). По правилу фаз можно определить число степеней свободы: С = К + 1 – Ф = 1 + 1 – 2 = 0. Это значит, что процесс кристаллизации чистого эле­мента пока существуют две фазы, протекает изотермически (рис. 17). Исчезновение одной из фаз (при полном затвердевании или расплавле­нии) изменяет число степеней свободы С = 1 + 1 – 1 = 1, т. е. на участках кривой охлаждения выше или ниже температуры кристал­лизации превращений не будет.

Для двойных сплавов, состоящих из двух компонентов, степень свободы может принимать значения 0; 1 и 2. В процессе кристаллизации такого сплава (см. рис. 17) степень свободы будет равна С = К + 1 – Ф = 2 + 1 – 2 = 1. Это свидетельствует о наличии функциональной зависимости между температу­рой и концентрацией фаз. Процесс кристаллизации сплава, несмотря на выделение теплоты кристаллизации, протекает при понижающейся температуре, хотя и с меньшей скоростью. Каждой температуре в пе­риод кристаллизации соответствует определенная концентрация и количество фаз (правило концентрации и правило отрезков).

При кристаллизации некоторых двойных сплавов (эвтектических, перетектических и др.) количество фаз может быть равным трем. В та­ком случае С = 2 + 1 – 3 = 0, т. е. процесс протекает изотермически и при постоянной концентрации всех трех фаз.