Правило фаз материаловедение. Понятия: компонент, фаза, структурные составляющие, система сплавов

В любой точке диаграммы равновесия, когда в сплаве одновременно существуют две фазы, можно определить концентрацию и количество обеих фаз. Этому служит правило отрезков или правило рычага.

Первое положение правило отрезков: чтобы определить концентрацию компонентов в фазах, через данную точку, характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими данную область; проекции точек пересечения на ось концентраций показывают состав фаз.

Для примера рассмотрим сплав Х при температуре t 1 на диаграмме 1 рода (рис. 2.6).

Рис 2.6 Диаграмма состояния I рода

(с применением к ней правила отрезков)

Следовательно, для сплава Х при температуре t 1 составы фаз определяются проекциями соответствующих точек. Состав жидкой фазы будет соответствовать точке В, а твердой фазы – точке С 1 .

Второе положение правила отрезков: для того чтобы определить количественное соотношение фаз при данной температуре, через заданную точку проводят горизонтальную линию. Отрезки этой линии между заданной точкой и точками, определяющими состав фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз.

Для сплава Х при температуре t 1 это соотношение будет

или
,

где Q Ж – количество жидкой фазы;Q В – количество кристаллов компонента В;Q– общее количество сплава.

Отсюда количество жидкой фазы в процентах будет

т.е. при температуре t 1 сплав Х будет состоять из 66,7% кристаллов компонента В и 33,3% жидкого раствора компонентов А и В.

По правилу отрезков подобным же образом можно определить объем эвтектики и объем кристаллов В после затвердевания.

Для сплава Х

Правило отрезков применимо для всех двухфазных областей любых диаграмм состояний.

ИЗУЧЕНИЕ СЛОЖНЫХ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЙ ДВОЙНЫХ СИСТЕМ

Большая часть двойных сплавов имеет более сложные (комбинированные) диаграммы состояния. Зная основные типы диаграмм состояний, каждую сложную диаграмму можно мысленно разбить на составляющие части, соответствующие основным типам, и в зависимости от состава сплава, рассматривать соответствующую часть диаграммы.

В качестве примера разберем диаграмму состояния сплавов «алюминий-кальций». На рис. Представлена фазовая диаграмма состояния и кривая охлаждения сплава с 25% кальция, на рис. – структурная диаграмма состояния сплавов «алюминий- кальций».

Рис 2.7 Фазовая диаграмма состояния системы Al-Ca и

кривая охлаждения

При общем рассмотрении диаграммы необходимо выделить ее части, соответствующие типовым диаграммам состояния; область существования жидкой фазы, твердой и жидкой фаз, области твердых растворов; найти эвтектические, эвтектоидные и перитектические точки и линии; линии ликвидус и солидус, выяснить, какие фазы существуют в данной системе. Фазами могут быть: твердые растворы, химические соединения, чистые компоненты и жидкость. Для нашего примера область жидкой фазы лежит выше линии ABCDEF, а область одновременного существования жидкой и твердой фаз – между линиями ликвидусABCDEFи солидусAKBLGHMEN.

Рис 2.8 Структурная диаграмма состояния системы Al-Ca

В рассматриваемой системе существует один твердый раствор α, соответствующий области AKS. Это твердый раствор кальция в алюминии. Точка К – точка максимальной растворимости,KS– линия предельной растворимости кальция в алюминии. Алюминий в кальции не растворяется.

Таким образом, фазами в данной системе являются: жидкость, -твердый раствор, химические соединенияAl 3 Ca,Al 2 Ca, кристаллыCa.

Для диаграммы алюминий-кальций характерно следующее:

1. Линия KBL– линия эвтектического превращения, тогда В - эвтектическая точка. Эвтектика представляет собой механическую смесь кристаллов α-твердого раствора и химического соединенияAl 3 Ca. Эвтектическое превращение протекает по уравнению

Ж в α к +Al 3 Ca

В соответствии с правилом фаз эвтектическое превращение протекает при постоянной температуре, т.к. сплав находится в трехфазном равновесном состоянии. В этих условиях число степеней свободы будет равно нулю: С = К - + 1 = 2 – 3 + 1 = 0, где К – число компонентов (AlиCa), и- число фаз (ж, α,Al 3 Ca).

Сплавы, в структуре которых есть эвтектика, делятся на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические.

У сплавов, расположенных ниже линии КВ структура будет состоять из α-твердого раствора и эвтектики, у сплавов ниже линии BL– из хим.соединенияAl 3 Caи эвтектики; эвтектический сплав в т. В состоит из одной эвтектики.

2. Линия CGH– линия образования неустойчивого химического соединенияAl 3 Ca. ТочкаG– перитектическая точка. Реакция перитектического превращения:

Ж с +Al 2 CaAl 3 Ca.

Перитектическое превращение заключается в образовании кристаллов Al 3 Caпри взаимодействии жидкой и твердой фазы определенных химических составов. Для сплава в точкеGв результате завершения перитектического превращения весь сплав будет состоять из химического соединенияAl 3 Ca. Для сплавов, расположенных левее т.G(т.Gдо т. С) в избытке будет оставаться жидкая фаза; для сплавов, расположенных правее т.G(от т.Gдо т. Н) в избытке будет оставаться соединениеAl 2 Ca. В соответствии с правилом фаз перитектическое превращение так же протекает при постоянной температуре.

3. Линия MEN– линия второго эвтектического превращения:

Ж Е Al 2 Ca+Ca

Эвтектика будет состоять из мелкодисперсных кристаллов Caи хим. соединенияAl 2 Ca. Сплавы, расположенные ниже линии МЕ являются доэвтектическими, структура их состоит из эвтектики иAl 2 Ca; сплавы, расположенные ниже линииENявляются заэвтектическими, структура состоит изCaи эвтектики.

Различные сплавы отличаются своим составом (т. е. количественным соотношением компонентов). В металловедении принято рассматривать не отдельные сплавы, а системы.

Система - это совокупность бесконечно большого числа сплавов, образованных данными металлами (и неметаллами). В металловедении изучают сплавы, в которые входит несколько элементов. Поэтому, когда говорят "система Cu-Zn" или "система Fe-Ni", это означает, что рассматривают сплавы, состоящие из этих элементов.

В сложных системах, состоящих из нескольких фаз, существуют поверхности раздела между фазами. В сплавах фазами могут быть чистые металлы, жидкие или твердые растворы, химические соединения. Фазы отличаются одна от другой по агрегатному состоянию (жидкий и твердый алюминий - две разные фазы), химическому составу, т. е. концентрации компонентов в каждой фазе, типу кристаллической решетки (железо с решеткой ГЦК и ОЦК - тоже две разные фазы). Компонентами могут быть чистые металлы (элементы) или устойчивые химические соединения. В металловедении под компонентами обычно понимают элементы (металлы и неметаллы), которые образуют сплав. Следовательно, чистые металлы представляют однокомпонентные системы, сплавы из двух элементов - двухкомпонентные и т. д.

Диаграммы состояния многокомпонентных сплавов представляют собой пространственные фигуры, на плоском основании которых изображается состав сплавов, а по вертикальной оси откладывается температура. Например, для трехкомпонентного сплава основание диаграммы состояния имеет вид треугольника, по сторонам которого отложены относительные концентрации компонентов.

В материаловедении чаще всего рассматривают двухкомпонентные системы. Так поступают и в тех случаях, когда имеют дело со сплавами из многих компонентов: выделяют основную систему, а остальные компоненты рассматривают как легирующие элементы.

Наиболее известна диаграмма “железо-углерод”. Сплавы железа с углеродом широко применяют в технике, все они делятся на два больших класса: стали (с содержанием углерода до 2,14%) и чугуны (с содержанием углерода более 2,14%). Железо с углеродом образует ряд химических соединений: Fe3C, Fe2C и др. Диаграмму состояния обычно изображают для соединения Fe3C - цементита, так что компонентами системы являются железо и цементит. Цементит - карбид железа Fe3C содержит 6,67% углерода. Сплавы с более высоким содержанием углерода очень хрупки и практического применения не имеют. В системе железо-углерод возможно присутствие следующих фаз: жидкой фазы, твердых растворов феррита и аустенита, химического соединения цементита и графита. Феррит - это твердый раствор внедрения углерода в a-железе, обозначается Fea(C); аустенит - это твердый раствор внедрения углерода в b-железе, обозначается Feb(C).

Число степеней свободы . Степень свободы определяется числом независимых переменных (например, температура, концентрация сплава, давление), которые можно изменять в определенных пределах, не нарушая равновесия. Равновесным называется состояние сплава, которое не изменяется во времени. При равновесии сохраняется число сосуществующих фаз. Если при этом условии можно менять только температуру (одна переменная), то число степеней свободы равно единице; если и температура, и состав фазы должны быть постоянными, то число степеней свободы равно нулю.

Закономерности всех изменений системы в зависимости от внутренних и внешних условий подчиняются правилу фаз . Правило фаз устанавливает возможное число фаз и условия, при которых они могут существовать в данной системе, т. е. в сплаве из данного числа компонентов. Правило фаз выражает зависимость между количеством фаз, числом компонентов и числом степеней свободы системы:

С = K + B - Ф, (3.2.1)

где С - число степеней свободы, К - число компонентов, Ф - число сосуществующих фаз, В - внешние переменные факторы (температура, давление). Если принять давление постоянным, что допустимо для рассмотрения металлических систем (В=1), т. е. если из внешних факторов учитывать только температуру, то

С = K + 1 - Ф. (3.2.2)

Рассмотрим возможные случаи равновесия для однокомпонентных систем.

Если в однокомпонентной системе (например, в чистом металле) имеется одна фаза (жидкий или закристаллизовавшийся, т. е. твердый металл), то К=1 и Ф=1. Тогда, согласно (3.2.2), С=1+1-1=1, т. е. имеется одна степень свободы. Это значит, что можно нагреть или охладить металл в определенном интервале температур, сохраняя его однофазным (жидким или твердым).

Если в момент плавления в системе имеются две фазы (например, жидкий и твердый металл), то К=1, Ф=2 и, следовательно, С=1+1-2=0, т. е. не имеется ни одной степени свободы. Такое равновесие возможно лишь при постоянной температуре. Следовательно, температура плавления и температура затвердевания однокомпонентных систем, например чистых металлов, всегда постоянны, и, пока не исчезнет одна фаза (расплавится твердая часть при нагреве или затвердеет жидкая часть при охлаждении), температура остается неизменной.

Однако для двухкомпонентной системы затвердевание сплава будет происходить при других условиях, так как Л=2, Ф=2, следовательно, С=2+1-2=1, т. е. имеется одна степень свободы. Значит, равновесие между жидкой и твердой фазой при затвердевании сохраняется в интервале температур (температуру можно менять). На кривой, характеризующей зависимость температуры сплава от времени (кривой охлаждения ), появятся температуры начала и конца затвердевания.

3.2.3*.Диаграмма состояния эвтектического типа

Соленая (например, морская) вода замерзает не при 0oС, а при более низкой температуре. Температура затвердевания раствора в этом случае ниже, чем у чистого растворителя. По мере увеличения количества растворенного вещества температура затвердевания (до определенного предела) понижается. При некоторой определенной концентрации замерзает уже не растворитель, а весь раствор целиком; при этой концентрации температура застывания ниже, чем при любой другой. Для раствора поваренной соли в воде это происходит, если количество соли в воде составляет 30% по весу. Такой раствор замерзает лишь при -21oС. Раствор такого состава называется эвтектикой , а температура плавления эвтектики называется эвтектической точкой .

В учебнике эвтектика определяется как механическая смесь двух видов кристаллов, одновременно кристаллизующихся из жидкости. В твердом состоянии соль практически не растворяется во льду, поэтому при кристаллизации эвтектики в ней одновременно выделяются кристаллы соли и кристаллы льда, которые образуют механическую смесь из кристаллов соли и льда.

Рассмотрим систему олово-свинец (Sn-Pb). Температура плавления свинца 327,5oС, а олова -232oС. В то же время температура плавления эвтектики олово-свинец Sn-38,1%Pb (известной под названием "припой марки ПОС61", число 61 соответствует процентному содержанию олова в сплаве) всего лишь 180oС, т. е. ниже, чем температуры плавления чистых компонентов. А что будет происходить при нагреве сплава олова со свинцом Sn-20%Pb? При нагреве выше 180oС получается жидкий раствор, в котором присутствуют нерасплавленные куски твердого раствора на основе свинца. А если выбрать так называемый заэвтектический сплав, например Sn-60%Pb, то при нагреве выше 180oС получится жидкий раствор, в котором будут присутствовать нерасплавленные куски твердого раствора на основе олова. Очевидно, что количество нерасплавленного свинца в первом случае, как и количество нерасплавленного олова во втором, определяется температурой и будет уменьшаться по мере ее возрастания; при некоторой температуре получим полностью жидкий сплав. Для того, чтобы описать все возможные ситуации, построим следующую диаграмму: отложим по оси абсцисс концентрацию свинца, а по оси ординат - температуру. На полученной в итоге координатной плоскости отложим температуры начала затвердевания для сплавов различного состава (с разной концентрацией свинца). В итоге получим диаграмму, показанную на рис. 3.2.1.

По горизонтали диаграммы состояния откладывается концентрация, по вертикали - температура. Каждая точка диаграммы соответствует сплаву определенного состава, находящемуся при определенной температуре в условиях равновесия. Обычно строятся диаграммы состояния двойных сплавов, реже - тройных сплавов. С помощью диаграмм состояния определяют, каковы температура плавления и интервалы полиморфных превращений в сплавах, сколько фаз имеется в сплаве данного состава при данной температуре, каковы эти фазы и каково их количественное соотношение в сплаве. Как конкретно это делается - можно прочитать в любом учебнике материаловедения (см. правило отрезков и правило фаз ). Некоторые линии на диаграмме состояния имеют специальные названия. Например, сплаву заданного состава соответствует вертикальная линия - ее называют линией сплава (рис. 3.2.2). Кривая, задающая температуры, выше которых сплавы находятся в жидком состоянии, называется линией ликвидус . Она представляет собой геометрическое место точек на диаграмме состояния, соответствующих началу затвердевания. Кривая, соответствующая температурам, ниже которых сплавы находятся в твердом состоянии, называется линией солидус . Она представляет собой геометрическое место точек на диаграмме состояния, соответствующих концу процесса затвердевания. На диаграмме состояния есть еще и другие очень интересные линии, такие, как конода , линия сольвуса и др. Подробнее познакомиться с ними можно в специальной литературе (см. рекомендательный список в конце главы).

Если в двойных сплавах одновременно существуют три фазы (например, жидкий сплав и две твердые фазы), как при кристаллизации эвтектики, то в соответствии с правилом фаз К=2, Ф=3 и С=2+1-3=0, т. е. не имеется ни одной степени свободы. Такое состояние возможно лишь при постоянной температуре и постоянном составе фаз. Следовательно, при кристаллизации эвтектического сплава составы твердой и жидкой фаз должны быть постоянными.

Кристаллизация эвтектического сплава носит особый характер. Температуры начала и конца затвердевания такого сплава совпадают, эвтектика затвердевает при наинизшей температуре и в ней практически при одной температуре выделяются оба вида кристаллов. Природа эвтектики, характер ее строения и механизм эвтектической кристаллизации был изучен академиком.

Сплавы эвтектического состава представляют особый интерес для сверхпластичников, поскольку именно на таких сплавах в свое время были выполнены первые исследования. В частности, Пирсон в своей классической работе 1934 г. исследовал поведение cплавов на основе олова: Sn-Pb и Sn-Bi.

3.2.4*. Полиморфизм

Некоторые металлы в зависимости от температуры могут иметь различную кристаллическую решетку. Способность металла существовать в различных кристаллических формах носит название полиморфизма или аллотропии . Принято обозначать полиморфную модификацию, устойчивую при наиболее низкой температуре, индексом a (например, Fea), при более высокой - b, при еще более высокой - g и т. д.

Известны полиморфные превращения железа Fea«Feg, титана Tia«Tib и других элементов. Явление полиморфизма в железе было открыто в 1868 г. русским ученым основоположником металловедения и теории термической обработки стали. Железо имеет две аллотропические формы Fea и Feg. Fea существует в двух интервалах температур (до 911°С; при 1 39°С) и имеет ОЦК решетку. До 768°С (точка Кюри) Fea ферромагнитно, выше этой температуры оно парамагнитно и обозначается Feb, а Feg - парамагнитно, устойчиво в интервале температур 91°С и имеет ГЦК решетку. Высокотемпературную модификацию a-железа иногда называют d-железом, хотя оно не представляет собой новой кристаллической формы. На явлении полиморфизма основана термическая обработка.

При переходе материала из одной полиморфной формы в другую меняются свойства, в частности, плотность и соответственно объем вещества. Так, например, плотность Feg на 3% больше плотности Fea, а удельный объем соответственно меньше. Эти изменения объема необходимо учитывать при термообработке. Многие другие технически важные металлы имеют несколько модификаций. Титан имеет две модификации: ГПУ (a-титан) и ОЦК (b-титан), кобальт тоже две: ГПУ (a-кобальт) и ГЦК (b-кобальт). Рассмотрим некоторые известные примеры проявления полиморфизма.

Однажды зимой в Санкт-Петербурге на одном из складов военного снаряжения стали происходить непонятные события: хранившиеся в холодном неотапливаемом помещении оловянные пуговицы для шинелей теряли блеск, темнели и через несколько дней рассыпались в порошок. Самым странным было то, что испорченные пуговицы как бы заражали своих соседей: одна за другой белые пуговицы тускнели, темнели и рассыпались. Разрушение распространялось как чума. В несколько дней горы ярко блестящих белых пуговиц превратились в бесформенную груду серого порошка. Все имущество склада погибло от "оловянной чумы", как прозвали эту "болезнь" белого олова.

Полиморфизм олова явился одной из основных причин гибели полярной экспедиции английского исследователя Р. Скотта (). Оловом были запаяны канистры с керосином. При низкой температуре произошло полиморфное превращение пластичного белого олова в хрупкий порошок серого олова. Горючее вылилось и испарилось, и на обратном пути экспедиция осталась без топлива.

Перечислим типы кристаллических решеток важнейших металлических элементов.

Металлы с одним типом решетки (изоморфные) :

ОЦК - V, Nb, Cr, Mo, W,

ГЦК - Cu, Ag, Au, Pt, Al, Pb, Ni,

ГПУ - Be, Mg, Zn, Cd.

Металлы с полиморфными превращениями:

Ca - ГЦК « ГПУ при температуре 450oС,

Ce - ГПУ « ГЦК при температуре 477oС,

Zr - ГПУ « ОЦК при температуре 862oС,

Ti - ГПУ « ОЦК при температуре 882oС,

Fe - ОЦК « ГЦК « ОЦК при температурах 911 и 1 392oС.

Полиморфные превращения могут происходить не только в результате изменения температуры, но также и под действием высоких давлений. Наиболее ярким примером является получение синтетических алмазов из графита. И графит, и алмаз - это чистый углерод. Отличие только в типе кристаллической решетки, т. е. в порядке расположения атомов в пространстве.

3.2.5*. Диаграмма состояния сплавов с полиморфными превращениями

Особую роль играют в материаловедении материалы, испытывающие при нагреве полиморфные превращения. В качестве примеров можно привести такие важные с точки зрения практического применения материалы, как сплавы на основе железа и титана. Чтобы рассказать о характерных особенностях диаграмм состояния для такого рода материалов, введем несколько дополнительных понятий.

Чистый титан испытывает полиморфное превращение при температуре 882oС. Если сплавить титан с небольшим количеством алюминия, полиморфное превращение в таком сплаве будет происходить не при одной четко фиксированной температуре, а в некотором интервале температур. Границы этого интервала называют температурами начала и конца полиморфного превращения. Если концентрация Al будет около 5%, то при температуре ниже примерно 900oС будет устойчива ГПУ решетка, а при температуре выше примерно 1 000oС - ОЦК решетка. При температуре выше 900oС и ниже 1 000oС в сплаве Ti-5%Al будут одновременно сосуществовать оба типа кристаллической решетки. В этом случае говорят, что в материале имеются две фазы : a-фаза с ГПУ решеткой и b-фаза с ОЦК решеткой. Другими словами, сплав Ti-5%Al является двухфазным в интервале температур от 900 до 1 000oС. При температуре ниже 900oС (или выше 1 000oС) сплав Ti-5%Al является однофазным, поскольку весь объем тела занят одной кристаллической решеткой.

Структура - одно из фундаментальных понятий материаловедения, которое используется для описания внутреннего строения материала. Простейшей структурой обладает однофазный материал, например чистый металл. В этом случае весь объем тела занимает одна кристаллическая решетка, а элементами структуры выступают дефекты кристаллического строения (вакансии , дислокации, границы зерен и т. п.). Дефектная структура поликристаллического материала представляет собой в первую очередь пространственную сетку из двумерных дефектов - границ зерен. Средний характерный размер ячейки такой сетки есть параметр, который часто называют размером зерна.

Структура многофазного материала представляет собой прежде всего пространственную конструкцию из элементов, которые можно назвать фазовыми составляющими. Эти элементы характеризуются формой, размерами, типом кристаллической решетки и химическим составом (он иной, чем в у сплава в целом). Таким образом, каждая фазовая составляющая представляет собой, по существу, кусочек однофазного материала со своей специфической дефектной структурой. В связи с этим многофазная структура, как правило, не может быть удовлетворительно описана одним скалярным параметром типа "средний размер зерен".

Совершенно очевидно, что средний размер зерен - это только один, хотя и часто используемый, но тем не менее далеко не исчерпывающий параметр, который характеризует структуру материала. Выбор параметров, количественно характеризующих структурное состояние материала, представляет собой серьезную научную проблему. Определяющая роль в ее решении принадлежит, конечно же, материаловедам и физикам. Совершенно очевидно, что только они могут, основываясь на многолетнем опыте наблюдений, выделить те параметры, которые наиболее существенным образом характеризуют структурное состояние материала. Но механики тоже должны иметь общее представление о том, что понимается под структурой, какие методы используются для ее изучения и какие средства воздействия на материал имеются в распоряжении материаловедов для направленного воздействия на структуру. Очевидно, что построение определяющих соотношений, включающих в себя структурные параметры, является актуальной задачей механики деформируемого твердого тела.

Используемые в технике материалы в большинстве являются многофазными. Информацию о фазовом состоянии того или иного сплава можно получить из диаграмм состояния , которые строятся на основании экспериментальных данных в координатах температура - состав сплава и приводятся в соответствующих справочниках. Литература, посвященная описанию характерных особенностей диаграмм состояния для различных систем, довольно обширна, заинтересованный читатель может познакомиться с ними более подробно (список литературы приведен в конце этой главы).

3.2.6. Некоторые примеры

Выше уже говорилось, что "жизненным кредо" материаловеда является убеждение: свойства материала определяются его структурой. Приведем некоторые примеры, свидетельствующие о том, что такое утверждение по крайней мере не беспочвенно.

Самый известный пример - это алмаз и графит. Два материала, имеющие идентичный химсостав, имеют принципиально различные свойства в зависимости от типа решетки, т. е. в зависимости от того порядка, в котором расположены атомы углерода в пространстве. Совсем недавно в научной литературе появились сообщения о том, что обнаружена новая модификация - фуллерены. Утверждают, что это вещество тверже алмаза и отличается от него только порядком расположения атомов углерода в пространстве, т. е. структурой.

Многие женщины носят украшения с камнями, похожими на “бриллиант”, - такими же лучистыми и красивыми, только более дешевыми. В России их называют фианитами по первым буквам Физического института АН, где этот кристалл получили впервые. В импортной бижутерии используют этот же камень, только с названием циркон (zirconia). Многих разные названия вводят в заблуждение. На самом деле то и другое - просто двуокись циркония. В природе это соединение встречается в виде желтого минерала, совсем не пригодного для украшения лучшей половины человечества. Его искусственный аналог имеет тот же состав, но другую кристаллическую структуру - кубическую. Казалось бы, какая малость - структура, а вместо невыразительного желтого камешка получаем “ну чистой воды фианит”1.

Рассмотрим другой пример. Кристаллы серы построены из молекул серы, связанных между собой очень слабыми силами, и поэтому они непрочны; температура плавления серы 115oС. Вместе с тем между атомами молекулы серы действуют в несколько сот раз большие химические силы связи. Как показал , если бы все атомы серы плотно “упаковались” и между ними действовали только эти силы, то температура плавления кристаллов серы данной разновидности составила бы 34 700oС. Такое же изменение претерпели бы и другие молекулярные кристаллы, если бы при перестройке молекул удалось возбудить те силы связи, которые действуют внутри каждой из них.

За все время существования Земли не было вещества в природе тверже алмаза. В 1957 г. такое вещество - боразон - появилось. Его создали искусственно: нитрид бора при давленииатм и 1 500oС изменяет свою гексагональную решетку на кубическую типа алмаза, в результате образуется новое вещество, более твердое, чем алмаз, и в два раза более теплостойкое.

Сплавы на основе железа и титана широко применяются на практике в качестве конструкционных материалов. Поэтому построение диаграмм состояния для такого рода материалов является актуальной задачей материаловедения и является неотъемлемой частью практической деятельности материаловедов. Для рассмотренной выше системы олово-свинец построение диаграммы состояния не вызывает особых трудностей, поскольку разные фазы (жидкую и твердую) можно довольно легко отличить друг от друга. В отличие от этого для сплавов с полиморфными превращениями дело обстоит значительно сложнее, поскольку при нагреве такого рода сплавов выше температуры начала превращения имеются две различные твердые фазы. В этом случае идентификация фаз представляет собой серьезную проблему. До каких только изощрений не доходят материаловеды для того, чтобы выяснить, какие же фазы "сидят" в исследуемом материале! Кроме стандартных методов рентгеноструктурного анализа, которые далеко не всегда дают однозначный ответ на интересующие материаловеда вопросы, ему приходится разрабатывать самые утонченные методики исследования, например, применять методы электронной микроскопии, метод реплик, метод электрохимического выделения фаз и т. д. Все это составляет "кухню" материаловеда, его "know how", его "головную боль" и насущные задачи. На этом пути его ждут и радость побед, и горечь неудач, - все то, что является “наркотическим зельем” для любого естествоиспытателя. Все эти тернии материаловед преодолевает не из праздного любопытства. Значение диаграмм состояния в металловедении трудно переоценить. Диаграмма состояния для той или иной системы наряду с фотографиями микроструктуры является основным рабочим материалом, с которым работает материаловед. Если взять в руки любой учебник по металловедению, то легко убедиться в том, что он буквально "напичкан" фотографиями и диаграммами состояния. Как уже отмечалось выше, диаграммы состояния в материаловедении имеют ничуть не меньшее значение, чем диаграммы s-e в механике.

Механик может вполне резонно заметить: если диаграмма состояния кому-то и нужна, так только самому материаловеду. Это его "кухня", до которой нам, механикам, и дела нет. В ответ на это приведем следующий "пример из жизни". Несколько лет назад младший научный сотрудник одной из лабораторий ИПСМ занимался исследованием поведения титанового сплава ВТ5-1. Он проводил многочисленные эксперименты на осадку цилиндрических образцов из этого сплава при 1 000°С. Поскольку для таких высокотемпературных испытаний трудно найти хорошую смазку, образцы после деформации теряли цилиндрическую форму (относительные обжатия составляли от 20 до 80% по высоте). При этом экспериментатор столкнулся со следующим трудно поддающимся объяснению фактом: сколько бы он ни испытывал образцов, у него неизменно получалась не "бочка", а "груша". Другими словами, "бочка" никак не хотела принимать привычную симметричную форму. Первое, что приходит в голову в этой связи, - видимо, нагрев образца осуществляли неравномерно, поэтому вдоль его оси имелся существенный перепад температур. Однако это противоречило тому факту, что подобного "грушеобразования" не наблюдалось у данного сплава на той же самой установке при тех же самых условиях ни при 850°C, ни при 1 050°С. Было от чего прийти в отчаяние... Однако молодой исследователь не растерялся и провел серию испытаний при разных температурах. Исследование структуры деформированных образцов позволило ему выявить интервал полиморфных превращений для данного сплава. Оказалось, что при температуре ниже 930°С в этом сплаве термодинамически равновесной является a-фаза с ГПУ решеткой, а при температуре выше 1 030°С - b-фаза с ОЦК решеткой. Из диаграмм напряжение-деформация, построенных при различных температурах, следовало, что b-фаза примерно в 6 раз мягче a-фазы. В интервале от 930°С до 1030°С в сплаве ВТ5-1 одновременно сосуществуют обе эти фазы. Другими словами, в этом интервале температур сплав находится в двухфазном состоянии, причем одна фаза существенно мягче другой. К чему это приводит? Диапазон температур, в котором сосуществуют две фазы, составляет всего 100°С, отсюда следует, что при повышении температуры всего на один градус количество мягкой фазы возрастает (если принять линейный закон) примерно на 1% за счет более твердой фазы. Таким образом, данный материал становится чрезвычайно чувствительным к температурным градиентам, когда он находится в двухфазном состоянии. В однофазном состоянии (в a-области при температуре ниже 900°С и в b-области при температуре выше 1 000°С) такого не наблюдается, поэтому и "грушеобразование" отсутствует. Чтобы окончательно убедиться в правильности своих выводов, исследователь принял все мыслимые и немыслимые меры для ликвидации температурного градиента по всей длине образца. После того, как он добился этого, "грушеобразование" прекратилось.

Особенно остро эта проблема встала при проведении испытаний на трубчатых образцах. Несколько лет назад в ИПСМ были изготовлены образцы из сверхпластичного сплава Zn-22%Al, форма и размеры которых были выбраны такими, чтобы их можно было испытать на установке Института проблем прочности АН Украины. При проведении экспериментов наблюдалась локализация деформации, вызванная все тем же неравномерным прогревом образца. Как и в вышеупомянутых примерах, точность поддержания температурного режима, обеспечиваемого стандартной установкой, имеющейся в распоряжении механиков, оказалась недостаточной для проведения полноценных механических экспериментов в режиме СП.

Таким образом, всем исследователям, работающим с такого рода материалами, необходимо иметь в виду, что в определенных температурных интервалах эти материалы могут быть чрезвычайно чувствительны к температурным градиентам (как пространственным, так и временным). Пренебрежение этим фактором может в некоторых случаях приводить к самым неожиданным "открытиям". Приведем еще один пример: "осциллирующая" диаграмма для титанового сплава ВТ9, полученная независимо разными исследователями. Несколько лет назад один из молодых сотрудников ИПСМ проводил серию испытаний на этом сплаве в широком диапазоне скоростей деформации. Испытание при самой низкой скорости деформации длилось несколько часов. В то время порядок проведения испытаний был таков, что не допускалась ночная работа на испытательной машине. Однако, как говорится, правила пишутся именно для того, чтобы их кто-нибудь когда-нибудь нарушал. Так вот, этот сотрудник включил испытательную машину Instron на самую малую скорость, открыл форточку, закрыл помещение, в котором находилась машина, на замок и, тепло попрощавшись с вахтером , "пошел домой". Выйдя из здания, он подошел к окну, залез в форточку - и стал продолжать эксперимент. Примерно каждые 20-30 мин раздавался щелчок, - это срабатывало термореле и включалась на некоторое время нагревательная печь. Такая автоматика позволяла поддерживать температуру в рабочей зоне с точностью примерно 20oС. Утром эксперимент был закончен, на диаграмме "усилие-время" имелись ясно видимые осцилляции, связанные с влиянием системы регулировки температуры (эксперимент проводился в двухфазной области, в которой сплав ВТ9, так же как и ВТ5-1, очень чувствителен к изменениям температуры). Если для сотрудника ИПСМ эти осцилляции были хоть и не вполне желательным, но, по крайней мере, обыденным явлением, то для сотрудников Института механики МГУ они стали сюрпризом. Несколько лет назад, на самом начальном этапе установления сотрудничества, из ИПСМ было передано несколько образцов из сплава ВТ9 специалистам Института механики МГУ. Они провели испытания этих образцов на своих машинах и получили типичные "осциллирующие" диаграммы, весьма удивившие их. В самом деле, многолетний опыт проведения высокотемпературных испытаний говорил механикам-профессионалам о том, что точность поддержания температуры примерно в 10°С, обеспечиваемая их установкой, всегда была достаточной. Как оказалось, такая точность не всегда приемлема.

В заключение этого раздела приведем еще один пример, свидетельствующий о пользе диаграмм состояния. Не так давно в один из специализированных советов СНГ была представлена докторская диссертация по специальности 01.02.04 - механика деформируемого твердого тела. В этой работе проведены исследования механического поведения ряда промышленных алюминиевых сплавов при одноосном активном нагружении. В число испытываемых материалов попал, в частности, сплав Д18Т. К сожалению, диссертант не познакомился с диаграммой состояния данного сплава и не проконсультировался у материаловедов перед тем, как начать обширную программу экспериментальных исследований на этом сплаве. Были проведены многочисленные эксперименты на одноосное нагружение данного материала при повышенных температурах. Однако сплав Д18Т в диапазоне температур, при которых проводились испытания, претерпевает широкую гамму самых разнообразных структурных перестроек. Даже специалист вряд ли предскажет, как поведет себя этот материал в таких условиях, поскольку сплав Д18Т не предназначен для работы при таких температурах . Конечно, результаты, полученные диссертантом, возможно, и представляют чисто академический интерес, однако их практическая значимость вызывает серьезные сомнения. Таким образом, прежде чем начинать программу исследований в предполагаемом для обследования температурном диапазоне, иногда имеет смысл предварительно проконсультироваться у специалистов, что это за материал, для чего он предназначен, какие у него могут быть "фокусы" и т. д.

Одним из основных объектов материаловедения являются металлические материалы, в частности промышленные металлы и сплавы. Основной структурной характеристикой таких материалов является тип кристаллической решетки. Понятно, что для описания разных видов решеток необходимо ввести систему координат (п.3.3.1), указать характерные размеры, направления (п.3.3.2). Кристаллическая решетка может быть и, как правило, всегда является неидеальной, поэтому вводятся понятия о дефектах кристаллического строения разного рода - примесях, дислокациях, границах зерен и т. д. (п.3.3.3). Эти дефекты весьма существенным образом влияют на макросвойства материала (п.3.3.4-3.3.5), поэтому сведения о них являются весьма важными и обязательно должны быть включены в паспорт материала на равных правах со сведениями о химическом и фазовом составах.

В процессе кристаллизации изменяются и концентрация фаз 1 (поэтому состав жидкости изменяется), и количество каждой фазы (при кристаллизации количество твердой фазы увеличивается, а жидкой уменьшается). В любой точке диаграммы, когда в сплаве одновременно существуют две фазы, можно определить количество обеих фаз и их концентрацию. Для этого служит так называемое правило рычага, или правило отрезков.

В точке а, показывающей состояние сплава К при температуре (рис. 95), сплав состоит из кристаллов В и жидкости. Выше точки сплав находится в однофазном состоянии, и концентрация компонентов в этой фазе (т. е. в жидкости) определялась проекцией точки При охлаждении из сплава выделяются кристаллы В и состав жидкости изменяется в сторону увеличения в ней компонента А. При температуре концентрация компонента В в жидкости определяется проекцией точки это максимальное количество компонента В, которое может содержать жидкость при По достижении эвтектической температуры жидкость принимает эвтектическую концентрацию. Следовательно, при охлаждении сплава К концентрация жидкости меняется по кривой Выделяющиеся кристаллы В имеют постоянный состав - это чистый компонент В, концентрация которого лежит на вертикальной оси

Первое положение правила отрезков формулируется следующим образом. Чтобы определить концентрации компонентов в фазах, через данную точку, характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими данную область; проекции точек пересечения на ось концентраций показывают составы фаз.

Следовательно, для сплава К при температуре составы обеих фаз определятся проекциями точек и с, так как эти точки находятся на пересечении горизонтальной линии проходящей через точку а, с линиями диаграммы.

Количество этих фаз также можно определить. Для определения количества каждой фазы (второе положение правила отрезков) предположим, что сплав К находится при температуре

Рис. 95. Диаграмма состояния (к применению на ней правила отрезков)

Сплав К содержит Следовательно, если отрезок определяет все количество сплава, то отрезок А - количество В в сплаве, а отрезок - количество компонента А в сплаве.

В точке а сплав состоит из кристаллов В и жидкости концентрации Жидкость содержит , или в жидкости количество компонента В определяется отрезком

При общем весе сплава, равном единице, искомое количество выделившихся кристаллов равно х, а количество жидкости 1 - х, В этом случае количество компонента который находится только в жидкости, равно

т. е. если масса сплава равна единице и изображается отрезком то масса кристаллов в точке а у сплава К равна отношению

Количество жидкости

т. е. количество жидкости определяется отношением

Отношение количества твердой и жидкой фаз определяется отношением

Если точка а определяет состояние сплава, точка - состав жидкой фазы, а точка с - состав твердой фазы, то отрезок определяет все количество сплава, отрезок количество жидкости и отрезок количество кристаллов.

Второе положение правила отрезков формулируется так. Для того чтобы определить количественное соотношение фаз, через заданную точку проводят горизонтальную линию. Отрезки этой линии между заданной точкой и точками, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз.

Правило отрезков в двойных диаграммах состояния можно применить только в двухфазных областях. В однофазной области имеется лишь одна фаза; любая точка внутри области характеризует ее концентрацию.

Материаловедение. Шпаргалка Буслаева Елена Михайловна

20. Типы фаз в металлических сплавах. Правило фаз; правило рычага

Диаграмма состояния – это графическое изображение состояния любого сплава изучаемой системы в зависимости от его концентрации и температуры.

Изучение любого сплава начинается с построения и анализа диаграммы состояния соответствующей системы. Диаграмма состояния дает возможность изучать фазы и структурные составляющие сплава. Используя диаграмму состояния, можно установить возможность проведения термической обработки и ее режимы, температуры литья, горячей пластической деформации.

В любой системе число фаз, которые находятся в равновесии, зависит от внутренних и внешних условий. Закономерности всех изменений, происходящих в системе, подчинены общему закону равновесия, который называется правилом фаз или законом Гиббса. Правило фаз выражает зависимость между числом степеней свободы С (вариантностью) системы, числом компонентов К и числом фаз системы Ф, находящихся в равновесии.

Степенями свободы называют независимые термодинамические параметры, которым можно придавать произвольные (в некотором интервале) значения так, чтобы не изменялись фазовые состояния (не исчезали старые фазы и не появлялись новые).

Обычно все превращения в металлах и сплавах происходят при постоянном атмосферном давлении. Тогда правило фаз записывают так: С = К – Ф + 1.

Уравнение правила фаз позволяет корректировать правильность построения диаграмм состояния.

Фаза – это однородная часть системы, которая отделена от других частей системы (фаз) поверхностью раздела при переходе через которую химический состав или структура вещества изменяется скачком.

Однородная жидкость является однофазной системой, а механическая смесь двух кристаллов – двухфазной, так как каждый кристалл отличается от другого по составу или по строению и они отделены один от другого поверхностью раздела.

Компонентами называются вещества, образующие систему.

Построение диаграмм состояния осуществляют различными экспериментальными методами. Часто пользуются методом термического анализа. Отбирают несколько сплавов данной системы с различным соотношением масс входящих в них компонентов. Сплавы помещают в огнеупорные тигли и нагревают в печи. После расплавления сплавов тигли со сплавами медленно охлаждают и фиксируют скорость охлаждения. По полученным данным строят термические кривые в координатах время-температура. В результате измерений получают серию кривых охлаждения, на которых при температурах фазовых превращений наблюдаются точки 20б перегиба и температурные остановки. Температуры, соответствующие не фазовым превращениям, называются критическими точками. Точки, отвечающие началу кристаллизации, называют точками ликвидуса, а концу кристаллизации – точками солидуса. По полученным кривым охлаждения для различных сплавов изучаемой системы строят диаграмму состояния в координатах; по оси абсцисс – концентрация компонентов, по оси ординат – температура.

В процессе кристаллизации изменяются и концентрация фаз, и количество каждой фазы. В любой точке диаграммы, когда в сплаве одновременно существуют две фазы, можно определить количество обеих фаз и их концентрацию. Для этого служит правило рычага или правило отрезков.

Правило отрезков. Данная диаграмма охватывает сплавы, компоненты которых образуют смеси своих практически чистых зерен при ничтожной взаимной растворимости. На оси абсцисс отложена процентная доля компонента В в сплаве.

Фазовое строение сплавов на диаграмме зависит от температуры. При термодинамическом воздействии компонентов друг на друга снижается температура их перехода в жидкое состояние, достигая некоторого минимума при определенном для каждой пары компонентов составе. Состав сплава можно определить, спроецировав точку С на ось абсцисс (точка Вэ ). Сплав двух компонентов, который плавится при минимальной температуре, называется эвтектическим или эвтектикой.

Эвтектика является равномерной смесью одновременно закристаллизовавшихся мелких зерен обоих компонентов. Температура, при которой одновременно плавятся или кристаллизуются оба компонента, называется эвтектической температурой.

Количественные изменения в сплавах данной системы компонентов при кристаллизации подчиняются правилу отрезков.

Чтобы определить концентрации компонентов в фазах, через данную точку, характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими данную область; проекции точек пересечения на ось концентраций показывают составы фаз.

Проведя через заданную точку горизонтальную линию можно определить количественное соотношение фаз. Отрезки данной линии между заданной точкой и точками, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз.

Правило отрезков в двойных диаграммах состояния используются только в двухфазных областях. В однофазной области имеется лишь одна фаза; любая точка внутри области характеризует ее концентрацию.