Диаграммы состояния металлических систем
Диаграмма состояния - графическое изображение состояния любого сплава изучаемой системы в зависимости от его концентрации и температуры. Диаграмма состояния показывает равновесные, устойчивые состояния, т. е. такие, которые при данных условиях обладают минимальной свободной энергией. Теоретическое и практическое значение диаграмм состояния очень велико. Изучение любого сплава, прежде всего, начинается с построения и анализа диаграммы состояния соответствующей системы, так как диаграмма состояния дает возможность изучать фазы и структурные составляющие сплава.
Пользуясь диаграммой состояния, можно установить возможность проведения термической обработки и ее режимы, температуры литья, горячей пластической деформации и т. д.
Теоретические основы для разработки диаграмм состояния создал основоположник научного металловедения - Д. К. Чернов, открывший в шестидесятых годах XIX века фазовые (структурные) превращения в железе и стали. Большой вклад в изучение диаграмм состояния внес Н. С. Курнаков со своими учениками.
В любой системе количество фаз, находящихся 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, числом компонентов k и числом фаз системы f, находящихся в равновесии.
В общем виде
с = k - f + р, (11)
где р - число переменных внешних факторов равновесия (температура и давление).
Число степеней свободы (или вариантность) системы - это число независимых переменных, которые можно изменять в определенных пределах, не изменяя числа фаз, находящихся в равновесии.
Обычно все превращения в металлах и сплавах происходят при постоянном атмосферном давлении. Тогда правило фаз записывается в виде
с = k - f + 1 (12)
Уравнение правила фаз позволяет корректировать правильность построения диаграмм состояния.
Построение диаграмм состояния осуществляют различными экспериментальными методами. Наиболее часто пользуются методом термического анализа. В результате измерений получают серию кривых охлаждения, на которых при температурах фазовых превращений наблюдаются точки перегибов. Температуры, соответствующие фазовым превращениям, называются критическими точками.
Точки, отвечающие началу кристаллизации, называют точками ликвидус (точки 1 на рис. 18, а). Точки, отвечающие концу кристаллизации, называются точками солидус (точки 2 на рис. 18, а).
По полученным кривым охлаждения (критическим точкам) для различных сплавов изучаемой системы строят диаграмму состояния в координатах: по оси абсцисс - концентрация компонентов, по оси ординат - температура.