ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ Правило фаз Диаграммы состояний представляют

ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ

Правило фаз Диаграммы состояний представляют собой наглядное изображение процессов кристаллизации сплавов. Процесс кристаллизации подчиняется правилу фаз (закону Д. Гиббса), которое показывает, происходит процесс кристаллизации при постоянной температуре или в интервале температур, а также, какое количество фаз может существовать одновременно. Правило фаз даёт количественную зависимость между степенью свободы системы, количеством фаз и компонентов. Фазой называется однородная часть системы, разграниченная от других частей системы (фазы) поверхностью раздела, при переходе через которые химический состав или структура вещества изменяется скачком. Под числом степеней свободы (вариантностью) системы понимается число внешних и внутренних факторов (температура, давление и концентрация), влияющих на состояние системы, которое можно изменить без изменения числа фаз в системе. Если число степеней свободы равно нулю (нонвариантная система), то нельзя изменить внешние и внутренние факторы системы без того, чтобы это не вызвало изменения числа фаз.

Правило фаз Если число степеней свободы равно единице (моновариантная система), то возможно изменение в некоторых пределах одного из внешних или внутренних факторов и это не вызовет изменения числа фаз. c=k-f+1 * (*при постоянстве давления во всех точках системы) с – число степеней свободы, k — компонент системы, f –фазы системы. Задание Определить изменение степени свободы однокомпонентной системы для случая кристаллизации чистого металла.

Диаграммы состояния первого рода – оба компонента в жидком состоянии неограниченно растворимы, в твёрдом состоянии нерастворимы и не образуют химических соединений. Фазами системы могут быт : жидкость L ; кристаллы A и кристаллы В ( k =2 , максимальное значение f= 3). Линия ABC — ликвидус, линия DCE – солидус. На линии AC при охлаждении начинают выделяться кристаллы А , на линии СВ кристаллы В. На линии DCE из жидкости концентрации С одновременно выделяются кристаллы А и В. Механическая смесь двух или более видов кристаллов, одновременно кристаллизовавшихся из жидкости называется эвтектикой.

Диаграммы состояния первого рода Кривая охлаждения доэвтектического сплава Кривая охлаждения заэвтектического сплава. Ice MC — It’s A Miracle (audiopoisk. com). mp

Правило отрезков (правило рычага) позволяет определить количество фаз в системе и их концентрацию в любой точке диаграммы состояния. Положения правила отрезков : 1) для того чтобы определить концентрацию компонентов в фазах через точку, характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими область на диаграмме ; проекции точек пересечения на ось концентраций показывают составы фаз ; 2) 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 Пример : сплав K при температуре t 1 о — составы обеих фаз определяются проекциями точек a и b ; — в точке a сплав состоит из жидкости концентрации b (отрезок Ab ’ ) и кристаллов B ; — при общем весе сплава, равном единице, искомое количество выделившихся кристаллов равно x , а количество жидкости 1 — x. В этом случае количество компонента A , который находится только в жидкости, равно b’B(1 -x)=b’B-xb’B=r. B ; xb’B=b’B-r. B ; x=b’B-r. B/b’B. Так как b’B-r. B=b’r=ba , а b’B=bc , то x=ba\bc Количество жидкости 1 — x =1 -ba\bc=bc-ba\bc= ac\bc; x\1 -x=ba\ac

Возможно существование только двух фаз жидкого раствора L и твёрдого раствора , отсутствует кристаллизация при постоянной температуре (на диаграмме нет горизонтальной линии). Диаграмма состоит из трёх областей : жидкость, жидкость + твёрдый раствор, твёрдый раствор. Сплав K в точке а состоит из жидкой и твёрдоё фаз, состав жидкой фазы определяется проекцией точки b , состав твёрдой фазы определяется проекцией точки c. Количество жидкой и твёрдой фаз определяется из соотношения : количество жидкой фазы ac/bc , количество твёрдой фазы ba/bc. Дендритная ликвация. При кристаллизации твёрдых растворов первые кристаллы имеют высокую концентрацию тугоплавкого компонента, чем последующие. Вследствие этого ось первого порядка дендрита содержит больше тугоплавкого компонента, чем ось второго порядка, и т. д. Междендритные пространства, кристаллизующиеся последними, содержат наибольшее количество легкоплавкого компонента и являются самыми легкоплавкими. Состояние дендритной ликвации является неравновесным, неоднородный раствор имеет более высокий уровень энергии, чем однородный. При длительном нагреве сплава дендритная ликвация устраняется вследствие диффузии. Диаграмма состояния второго рода

Диаграмма состояния второго рода Оба компонента неограниченно растворимы в жидком и твёрдом состояниях и не образуют химических соединений.

Диаграмма состояния третьего рода Оба компонента неограниченно растворимы в жидком состоянии, ограниченно в твёрдом и не образуют химических соединений. Компоненты : A, B. Фазы : L, , . В сплавах возможно существование : жидкой фазы, твёрдого раствора компонента B в A ( — твёрдый раствор) и твёрдого раствора A в B ( — твёрдый раствор). Возможно нонвариантное равновесие при одновременном существовании трёх фаз : L, и . В зависимости от того, какая реакция протекает в условиях существования трёх фаз, могут быть два вида диаграмм состояния III рода : — диаграмма с эвтектикой — диаграмма с перитектикой.

Диаграмма состояния третьего рода Диаграмма с эвтектикой

Диаграмма состояния третьего рода Диаграмма с перитектикой

Диаграмма состояния четвёртого рода Оба компонента неограниченно растворимы в жидком состоянии, не растворимы в твёрдом и образуют устойчивое химическое соединение. Компоненты : A, B. Фазы : L, A, A m B n , B L E 1 A+A n B m , L E 2 B+A n B m =(a. B 1 /a. B 1 +b. A 1 )*100 =(b. A 1 /b. A 1 +a. B 1 )*

Диаграмма состояния пятого рода Оба компонента неограниченно растворимы в жидком состоянии, не растворимы в твёрдом и образуют неустойчивое химическое соединение. Компоненты : A, B. Фазы : L, A, A m B n , B L D +B A n B m ,

Диаграмма состояния сплавов, испытывающих полиморфные превращения