Диаграммы состояния двухкомпонентных сплавов

Сплавы

Сплав — макроскопически однородный металлический материал, состоящий из смеси двух или большего числа химических элементов с преобладанием металлических компонентов.

Сплав может быть твёрдым раствором, а может быть химическим соединением. Твёрдые растворы бывают двух типов:

• замещения — атомы второго компонента занимают места в узлах решётки основного; условия образования — близость химических свойств и близость радиусов атомов;
• внедрения — небольшие атомы второго компонента располагаются в пустотах (междоузлиях) решётки.

От механической смеси сплав отличается тем, что механическую смесь можно разделить на исходные компоненты.

Правило фаз

Для конденсированных систем — сплавов, где давление практически не влияет на равновесие, — правило фаз Гиббса записывают так:

где $C$ — число степеней свободы, $K$ — число компонентов, $\Phi$ — число фаз, а единица отвечает единственному внешнему параметру — температуре.

Для двухкомпонентного сплава $C = 3 - \Phi$: в однофазной области можно независимо менять и температуру, и состав ($C = 2$), в двухфазной — что-то одно ($C = 1$), а три фазы сосуществуют только при строго определённых температуре и составах ($C = 0$, нонвариантное равновесие).

При чтении диаграмм состояния пользуются двумя принципами:

• принцип непрерывности — при переходе через линию на диаграмме состояния количество фаз меняется на единицу;
• принцип соответствия — каждому полю на диаграмме состояния соответствует своя физическая модель (свой набор фаз).

Типы диаграмм состояния

На всех диаграммах по горизонтали отложен состав — от чистого компонента A до чистого B, по вертикали — температура; $L$ — расплав, $\alpha$ и $\beta$ — твёрдые растворы на основе A и B.

1. Неограниченная растворимость в жидком и твёрдом состоянии

Компоненты смешиваются в любых соотношениях и в расплаве, и в кристалле. Верхняя линия «сигары» — ликвидус, нижняя — солидус; между ними расплав сосуществует с кристаллами твёрдого раствора $\alpha$.

2. Неограниченная растворимость в жидкой фазе и полная нерастворимость в твёрдой

Из расплава кристаллизуются чистые компоненты. Две ветви ликвидуса сходятся в эвтектической точке; ниже эвтектической горизонтали сплав — механическая смесь кристаллов A и B.

3. Неограниченная растворимость в жидкой фазе и ограниченная — в твёрдой

Возможны два варианта — с эвтектикой и с перитектикой:

Вблизи осей появляются области твёрдых растворов: $\alpha$ — B в A и $\beta$ — A в B. Между ними лежит двухфазная область $\alpha + \beta$. С расплавом здесь сосуществуют уже не чистые компоненты, а твёрдые растворы, то есть поля под ликвидусом — это $L + \alpha$ и $L + \beta$.

4. С химическим соединением

Компоненты образуют соединение $\mathrm{A}_m\mathrm{B}_n$. Его вертикаль делит диаграмму на две простые эвтектические: $\mathrm{A} - \mathrm{A}_m\mathrm{B}_n$ и $\mathrm{A}_m\mathrm{B}_n - \mathrm{B}$.

5. С полиморфным превращением в твёрдой фазе

Один из компонентов существует в нескольких кристаллических модификациях, и ниже солидуса на диаграмме появляются дополнительные линии — границы превращения одной модификации в другую. Важнейший пример — диаграмма железо — цементит: железо при нагревании дважды меняет тип решётки.