logo search
Калугин

4.6 Основные виды диаграмм состояния двухкомпонентных систем.

Первый тип является самым простейшим и применяется для жидких смесей. Отражает систему, в которой взаимная растворимость компонентов А и В в жидком и твердом состояниях отсутствуют. Тогда ДС следующая:

Рис. 4.6. ДС для системы, в которой взаимная растворимость компонентов А и В в жидком и твердом состояниях отсутствуют

ТА и ТВ – температуры плавления, А и В концентрации веществ. Выше температуры ТВ система состоит из двух жидких фаз αА и αВ. Между ТА и ТВ начинают выпадать кристаллы В, а вещество А находится в жидком состоянии, то есть этот промежуток - двухфазный. Ниже ТА из смеси кристаллов А и В образуется твердый сплав.

Тип два диаграмма состояний: с простой эвтектикой (греч. легкоплавящийся).

Рис. 4.7. ДС для системы, в которой взаимная растворимость А и В в жидком состоянии не ограничена, а в твердом состоянии отсутствует

Если взаимная растворимость А и В в жидком состоянии не ограничена, а в твердом состоянии отсутствует, то при затвердевании сплав представляет собой смесь кристаллов чистых компонентов А и В. Такая система характеризуется диаграммой состояний с простой эвтектикой. Эвтектика – это тонкая мелко дисперсная смесь твердых веществ, одновременно выкристаллизовывающихся из расплава, при температуре плавления меньше, чем температура плавления отдельных компонентов. На диаграмме состояний можно видеть области. Область, выше ТА, Те, ТВ является жидкостью однофазной областью однородного расплава. Линия ТАеТВ над линией ликвидуса. Выше ее однофазная, ниже двухфазная. Область FTΔе представляет собой двухфазную систему жидкость плюс кристаллы А. Область GTΔе также двухфазная область жидкость и кристаллы В. Область AFGB – двухфазная область, где имеются твердые вещества в смеси. Эвтектика не является самостоятельной фазой, а лишь дисперсной смесью двух фаз А и В.

Из жидкости, состав которой лежит между А и е, при охлаждении начитают выпадать кристаллы А в следствии чего содержание В в жидкости увеличивается. А когда состав будет отвечать е, процесс закончится кристаллизацией эвтектики. Затвердевание жидкости, состав которой лежит между В и е начинается выпадение кристаллов В и заканчивается кристаллизацией эвтектики.

Линия FG называется линией солидуса, ниже нее жидкая фаза отсутствует полностью. Изотерма свойств такого сплава приближается к прямой линии.

Третий тип диаграммы состояния. Компоненты А и В обладают неограниченной взаиморастворимостью в жидком и твердом состоянии. Тогда из одной жидкой фазы F выпадает только одна кристаллическая фаза – твердый раствор S.

Рис. 4.8. ДС для системы, в которой компоненты А и В обладают неограниченной взаиморастворимостью в жидком и твердом состоянии

Диаграмма состояния такой системы может быть без max и min (а). Либо с max и min (б, в). Изотерма свойств имеет вид непрерывных кривых, обращенных выпуклостью вверх или вниз в зависимости от вида ДС. Твердые растворы представляют собой непрерывный ряд твердых фаз, т.е. это твердая фаза переменного состава, в которой атомы различных элементов смешаны в известных пределах или неограниченно в общую кристаллическую решетку.

твердый раствор

Рис. 4.9. Схематичное изображение кристаллической решетки твердого раствора

Полностью упорядоченные твердые растворы называют сверхструктурами. Примеры: Сu-Ni; Fe-N; Fe-Cr; Fe-Co; Ni-Co; Au-Ag; Si-Ge; Au-Cu; Bi-Sb.

Способностью образовывать твердые растворы в любых пропорциях могут обладать только элементы, имеющие одинаковый тип кристаллической решетки; в этом случае говорят о неограниченной растворимости. Признаки: находятся рядом

По механизму образования их различают:

- твердые растворы замещения – близкие атомные радиусы, отличающиеся не более чем на 15% и электрохимически подобны, т.е. в ряду напряжений стоят не далеко друг от друга;

- твердые растворы внедрения – у них атомные радиусы существенно отличаются, однако внедрение возможно в междоузлие т.е. атом удерживается, в промежутке;

- твердые растворы вычитания, которые образованы вакантными узлами кристаллической решетки.

Таким образом, для получения твердого раствора нужны два фактора: размерный и электрохимическое подобие. В отличие от твердых растворов химические соединения образуются только при единственных составах. Химические соединения происходят когда элементы резко отличаются друг от друга по:

- электронному строению;

- атомному объему;

- типу и параметрам кристаллических решеток, которые определяют реакционную способность материала.

Реакционная способность веществ в современных представлениях основана на электронной теории валентности и квантово механической теории. Т.е. распределение и смещение электронной плотности. Таким образом, даже если в жидком состоянии два металла хорошо растворяются друг в друге, т.е. образуют однородный жидкий раствор, то в твердом состоянии структура может оказаться разной. Если в процессе кристаллизации разнородные атомы не входят в общую решетку, а каждый металл образует свою решетку, то это соответствует полной нерастворимости их в твердом состоянии. Т.е. кристаллы компонентов, входящих в сплав, образуют простую смесь. Если образуется общая кристаллическая решетка, то получается твердый раствор. Кроме большого диапазона концентраций веществ твердые растворы отличаются от химических соединений еще и непрерывностью свойств. Если при переходе в твердое состояние разнородные атомы могут соединяться друг с другом в определенной пропорции с протеканием химических реакций, то образуются новые вещества, называемые химическими соединениями.

Растворимость в жидком состоянии зависит от атомного сплавления элементов и Тпл, при этом существенный вклад в кинетику процессов образования жидких растворов вносит процесс диффузии, т.е. взаимопроникновение. Растворимость в твердом состоянии зависит от размерных эффектов (тип решетки, ее параметры) и физико-химической природы растворимых веществ.

Четвертый тип ДС. Если взаимная растворимость веществ А и В в жидком состоянии неограниченна, а в твердом ограничена, то в случае образования эвтектики, последняя состоит из смеси двух твердых растворов α и β. Предельные концентрации которых отвечают точкам G и F на ДС. Таких сплавов большинство это и Al-Si; Jn-Si; Zn-Si; Sn-Sb.

Рис. 4.10. ДС для системы, в которой взаимная растворимость веществ А и В в жидком состоянии неограниченна, а в твердом ограничена,

При эвтектической температуре свойствам отвечают точки G и F. При комнатной – точки M и N. Изотермы свойств состав состоят из трех ветвей при комнатной температуре. В т. m1 и m2 и n1 и n2 отвечают предельным концентрациям твердых растворов α и β, соответствующим комнатной температуре.

Тип пять ДС. Если в процессе сплавления двух металлов или компонентов образуются химические соединения С, плавящиеся без разложения, то на кривой ликвидуса наблюдаются либо max (M), либо т. D, отвечающая составу соединения С и две эвтектические точки E1 и Е2, отвечающие эвтектикам, образуемым С с А и В.

Рис.4.11. ДС для системы, в которой при сплавлении двух или компонентов образуются химические соединения С, плавящиеся без разложения

Таким образом, данная ДС по сути состоит из двух ДС с простой эвтектикой, что характерно Si-Me.