Диаграммы состояния сплавов и закономерности Курнакова

Графическое изображение областей фазовых равновесий в зависимости от температуры и состава принято называть диаграммой состояния.

Если отрезок оси абсцисс разделить на сто частей, то точки этого отрезка будут соответствовать процентному составу двойных сплавов. Если по оси ординат отложить температуру, то получим координатную сетку диаграммы фазового состояния. Каждая точка диаграммы состояния соответствует определенному составу сплава при заданной температуре. Линии на диаграмме состояния отмечают температуры изменения фазового состава, а поля, ограниченные этими линиями, характеризуют области существования различных фазовых состояний.

Диаграммы состояния показывают изменения фазового состояния сплавов при изменении их состава и температуры, а также позволяют предсказывать свойства сплавов. Связь между составом сплава и его свойствами для различных типов диаграмм состояния впервые была установлена академиком Н. С. Курнаковым и его учениками, поэтому получила название закономерностей Курнакова. Рассмотрим некоторые типы диаграмм состояния и связь свойств сплавов с их составом.

Как отмечалось выше, при изоморфности (похожести) кристаллических решеток, близости строения валентных электронных оболочек атомов и малой разнице в размерах атомов в твердом состоянии элементы образуют неограниченные твердые растворы. Диаграммы состояния таких сплавов выглядят, как показано на рис. 1.23,а.

Верхняя линия на диаграмме состояния представляет собой геометрическое место точек начала кристаллизации или конца плавления - линию ликвидус. Выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии. Нижняя линия является геометрическим местом точек конца кристаллизации или начала плавления - линия солидус. Ниже этой линии все сплавы находятся в однофазном твердом состоянии. При изменении состава сплавов фазовое состояние при низких температурах не меняется и зависимость свойств от состава имеет вид плавной линии с максимумом. Такая зависимость свойств от состава (прочности, удельного электрического сопротивления, твердости) показана на рис. 1.23,б.

Самостоятельно объясните зависимость свойств от состава, опираясь на представления о влиянии точечных дефектов на механические и электрические свойства металлических материалов.

Диаграмма состояния системы для случая, когда компоненты совсем не растворяются друг в друге в твердом состоянии и растворимы в жидком состоянии, показана на рис. 1.23,в). В данном случае линия ликвидус выглядит в виде ломаной, причем при некотором составе, называемом эвтектическим (от греческого слова эвтектикос - легкоплавкий), линия ликвидус касается линии солидус. Линия солидус представляет собой горизонтальную линию. Ниже линии солидус в сплаве имеются две твердые фазы, являющиеся чистыми компонентами сплава. Поскольку компоненты не растворимы друг в друге, то свойства линейно меняются при изменении состава в соответствии с тем, как меняется количество фаз (рис. 1.23,г). Однако вблизи эвтектического состава наблюдается некоторое отклонение от линейного закона. Это связано с тем, что при кристаллизации эвтектических сплавов из жидкости одновременно выпадают две твердые фазы, происходит быстрая кристаллизация и формируется мелкозернистая структура. Измельчение зерен влечет за собой увеличение электрического сопротивления и прочности эвтектических сплавов.

Для систем сплавов с ограниченной растворимостью характерны диаграммы состояния, показанные на рис. 1.23,д. В таких системах имеются две области: в первой – фазы, представляют собой раствор одного компонента в другом; во второй – сосуществует смесь двух фаз. При составах, соответствующих областям существования твердых растворов на основе какого-либо компонента, изменение свойств аналогично изменению свойств в системах с неограниченной растворимостью компонентов (рис. 1.23,е), а в областях составов, соответствующих двухфазным смесям, изменение состава ведет к изменению свойств, характерному для систем с нерастворимыми в твердом состоянии компонентами.

Состояние сплавов между линиями солидус и ликвидус является двухфазным, состоящим из жидкой и твердой фазы. Такое разделение на фазы оказывается термодинамически выгодным. Рассмотрим это на примере диаграммы с полностью растворимыми компонентами.

На рис. 1.24 показаны графики изменения свобод­ной энергии возможных фаз при трех ха­рактерных температурах t₁, t₂, t₃ на диаграмме состояния. При температуре t₁ термодинамический потенциал твердой фазы G_a расположен ниже, чем термодинамический потенциал жидкости G_ж . Поэтому при всех химических составах сплав находится в однородном твердом состоянии. При температуре t₃ ситуация обратная, и соответственно сплав при всех химических составах будет в жидком состоянии.

При температуре t₂ между точками а и b в термо­динамическом равновесии сосуще­ствуют две фазы: жидкий раствор со­става х_а и твердый раствор состава x_b. Значения свободных энергий этих рас­творов соответствуют точкам a' и b'. Термодинамический потенциал двухфазной системы определяется линией, соединяющей эти точки a' и b'. При этом он оказывается расположенным ниже , чем потенциал только жидкой G_ж или только твердой фазы G_a . Поэтому сплав при температуре t₂ находится в энергетически более выгодном двухфазном состоянии.

Аналогичным образом рассматривается сосуществование фаз в других случаях растворимости компонентов сплавов.