§ 8. Диаграммы состояния. Способы их построения

Как уже отмечалось, в подавляющем большинстве случаев в технике используют не чистые металлы, а сплавы металлов между собой и с некоторыми металлоидами (углерод, кремний). Для понимания закономерностей изменения свойств и строения в зависимости от состава и температуры сплава удобно рассматривать как термодинамические системы, в которых действует описанное правило фаз. Количество, состав и состояние фаз будут определяться средним составом данного сплава и его температурой. Словесные описания состояния всех сплавов двух металлов в каком-то интервале температур были бы очень длинными. Поэтому используют графические изображения, которые называются диаграммами состояния. Диаграмма состояния системы изображает ее фазовый состав в зависимости от содержания компонентов и температуры. Как будет показано дальше, диаграмма состояния позволяет определять также содержание компонентов в отдельных фазах и относительное количество массы каждой фазы. Наиболее просто удается изображать диаграммы состояния систем из двух компонентов. Значительно сложнее выглядят тройные диаграммы состояния. Системы из четырех и более компонентов практически не поддаются полному графическому изображению.

Диаграмма состояния двойной системы представляет плоскую фигуру, основанием которой служит горизонтальный отрезок, являющийся осью составов. Точки на концах отрезка соответствуют чистым компонентам, а любая промежуточная точка на этой прямой изображает сплав этих двух компонентов, взятых в соотношении, обратном отношению расстояний от данной точки до каждого из компонентов. Составы сплавов чаще всего представляют в процентах по массе, поэтому на оси составов отмечаются точки через 5 - 10 - 20% и т. д. одного из компонентов. Содержание другого определяют по разности из 100%. По вертикальной оси диаграммы состояния двойной системы откладывают температуры в °С или К, начиная от 20 или 0°С. На ординатах, соответствующих чистым компонентам, отмечаются их точки плавления. Например, если рассматривается двойная система медь - никель, то на ординате, соответствующей меди, будет точка при 1083°С - температуре плавления меди. Ниже этой точки у меди существует только твердая фаза, выше - жидкая. На второй ординате, соответствующей никелю, такая точка будет при 1455°С. Таким образом, каждая из ординат отражает фазовый состав данного компонента в зависимости от температуры.

Пространство между двумя температурными ординатами над горизонтальной осью составов разделяется линиями на фазовые области, присущие данной двойной системе. Построение диаграммы состояния как раз и состоит в отыскании этих линий. Для построения диаграмм состояния используют различные методы физико-химического анализа.

Фазовые превращения, связанные с плавлением или кристаллизацией, чаще всего изучают с помощью термического анализа. Превращения в твердом состоянии обычно изучают, измеряя какое-либо свойство (твердость, электросопротивление, коэффициент линейного расширения и др.) в зависимости от состава или Температуры. При построении диаграмм состояния очень шиpoко пользуются металлографическим, рентгеноструктурным и рентгеноспектральным анализами и электронной микроскопией. С их помощью определяют количество и состав фаз в сплавах. Диаграмму состояния строят на основании данных, полученных несколькими методами, при этом методы выбирают таким образом, чтобы имелась возможность взаимной проверки результатов. В последнее время широко используют методы теоретического построения диаграмм состояния на основании термодинамических данных.