HomeСложные металлы › Правило фаз и его применение к сплавам

Правило фаз и его применение к сплавам

Правило фаз и его применение к сплавамУказанное разделение превращений на два вида: совершаемое полиостью при постоянной температуре и протекающее при понижающейся температуре, т. е. в интервале между двумя линиями диаграммы, находит объяснение в правиле фаз Гиббса (1874 г.),

 

послужившем основанием к установлению условий равновесного состояния систем, т. е. построению диаграмм состояний и к проверке их правильности. Вместе с тем нужно отметить, что применяемые в металлографии термины (система, компонент, фаза и др.) заимствованы из определений, данных указанным правилом.

 

Приводя здесь формулировку правила фаз, дадим более развернутое определение применяемым терминам.

Система. Системой называют группу тел (веществ), которую выделяют из прочих окружающих тел и в которой наблюдают интересующие нас превращения. Когда берут сплав некоторого состава, в котором хотят проследить превращения, совершающиеся при нагревании или охлаждении, то этот сплав и будет представлять систему.

Система может быть простой и сложной.

 

Простая система состоит из одного какого-нибудь химического индивида (чистого элемента или химического соединения). Все превращения, происходящие в простой системе, могут заключаться лишь в физических изменениях — переходе из твердого, в жидкое или газообразное состояние, из одноу аллотропической модификации в другую и т. п.

 

В сложной системе имеются два или несколько химических индивидов и в ней, кроме физических изменений, могут наблюдаться и химические взаимодействия (образование твердых растворов, химических соединений и т. п.), так что превращения, происходящие в сложных системах, могут быть и физическими, и химическими, сопровождаемыми изменением состава или концентрации образующихся тел.

 

Если взять сплав, состоящий из двух металлов (например, РЬ и Sb), то получится уже сложная система, и превращения, совершающиеся в ней, будут заключаться не только в том, что металлы будут плавиться или затвердевать, но также и в том, что они могут взаимно растворяться один в другом, образуя жидкие растворы некоторой концентрации, или, наоборот, могут выделяться из раствора в виде твердых металлов.

 

Компонент. Те химические индивиды (элементы или химические соединения), из которых образована данная система, взятые при этом в наименьшем числе, называются компонентами. Очевидно, что в простой системе должен быть один компонент, в сложной — два и более. Но при учете числа компонентов всегда нужно, чтобы это-число представляло наименьшее количество индивидов, вполне достаточное для образования системы, и чтобы они были независимы один от другого.

 

В некоторых системах учет числа компонентов иногда бывает-затруднителен. В сплавах большей частью он не представляет затруднений, так как компонентами обычно в них являются чистые-элементы.

 

В тех случаях, когда система простая и во всех своих точках: находится в одинаковом физическом состоянии, например, совершенно чистое твердое железо или чистая жидкая вода (без окружающего пара), ее называют однородной или гомогенной системой.

 

Во всех прочих случаях, где встречаются тела в различном: физическом состоянии или настолько различающиеся химически,,, что можно установить между ними поверхности раздела, система, называется неоднородной или гетерогенной.

 

В общем случае система обычно бывает неоднородной, составленной, однако, из частей, которые сами по себе являются уже однородными; это значит, что в неоднородной системе можно механически выделить (чаще всего только мысленно), такие отдельные составные части (тела), которые сами по себе во всех точках совершенно-однозначны, и в которых, следовательно, уже нельзя физически выделить еще какие-нибудь составляющие.

 

Фаза. Однородные составные части (вещества) в системе называются фазами. Фазами системы могут быть чистые элементы или химические соединения, или растворы и при этом в отдельности в каждом из возможных физических (агрегатном или полиморфном) состояний.

 

Например, в сплаве, представляющем систему из компонентов металлов Л и В,. в качестве фаз могут быть:

сами компоненты: 1) твердый Л, 2) жидкий Л, 3) твердый В, 4) жидкий В, 5) каждая из аллотропических модификаций;

их растворы (Л + В): 1) жидкий, 2) твердый с возможными его модификациями;.

 

химические соединения типа АтВп, количество которых в системе также может-быть различным в зависимости от природы компонентов и которые также могут образовывать, в свою очередь, отдельные фазы как в жидком, так и в твердом виде с возможными модификациями.

 

Наконец, в общем случае можно иметь еще и газообразную фазу (пар).

 

Из этого ясно, какое большое разнообразие фаз может представлять даже несложная система (сплав), состоящая всего лишь из двух компонентов.

 

Однако в одной системе (сплаве) мы не встречаемся со всеми возможными фазами одновременно, и количество фаз обычно бывает незначительным, если сплав находится в равновесии и все превращения, которые ему присущи, происходят в нем нормально.

 

Правило фаз дает нам указание, какое количество фаз может существовать-в сплаве (системе) в условиях его равновесия в зависимости от его состава, т. е. присутствующих в нем компонентов, образующих систему, и от его температуры и давления. Оно может быть выражено следующей формулой:

1 Ф = К + 2,

где Ф — число сосуществующих фаз; К — число компонентов;

 

2 — число переменных внешних факторов равновесия — давления и температуры.

Если давление постоянно, как это получается обычно при изучении сплавов (поскольку мы обычно строим диаграммы при нормальном атмосферном давлении), этот фактор как независимое переменное отпадает, и в формуле вместо цифры 2 нужно брать 1 (температура).

 

Таким образом, число фаз, одновременно сосуществующих в двойных системах, не может быть более трех. Если окажется больше, то можно быть уверенным, что сплав не находится в термодинамически равновесном состоянии. Если же, наоборот, число фаз в сплаве ¦ оказывается меньше трех, то сплав может быть в равновесном состоянии, причем равновесие будет характеризоваться различно.

 

1. При наличии трех сосуществующих фаз все факторы равновесия (температура и концентрация компонентов в фазах) являются вполне определенными и неизменными: мы не сможем произвести изменения какого-либо из этих факторов и сохранить те же три фазы. Такое равновесие называют неизменяемым или -безвар. иантным (нонвариантным). В этом случае говорят, что система имеет нулевую степень свободы, понимая под последней возможность изменения какого-нибудь фактора равновесия при сохранении того же числа фаз. Если эту степень свободы обозначить буквой С, то правило фаз в сплавах можно выразить также следующей формулой (при постоянном давлении):

С = К+ 1 — Ф.

 

2. Из нее следует, что в случае наличия в сплаве двух фаз степень -свободы будет одна и равновесие в этом случае будет называться о д н о- или моновариантным; при этом можно сохранить две фазы в равновесии при произвольном изменении только бдного какого-нибудь фактора равновесия.

 

3. Если фаза будет одна, то степеней свободы будет две, и равновесие будет двувариантным, или бивариантным (или д и в а р и а н т н ы м) и т. д.

 

Применяя правило фаз к разобранной нами системе (РЬ — Sb) в связи с диаграммой состояния можно легко установить, где какое равновесие имеется. В области выше ликвидуса , где имеется одна жидкая фаза (Ж), будет двувариантное, равновесие; здесь можно изменять и температуру и концентрацию одновременно, и одна фаза-жидкий раствор-останется без изменений, пока мы не дойдем до линии ликвидуса. Здесь, как известно, начнет появляться уже вторая фаза, и равновесие станет одновариантным.

 

Оно останется таковым в областях между ликвидусом и солидусом, т. е. там, где происходят прекращения, совершаемые в интервале температур, помеченные выше знаками (1) и (2). При этих превращениях двухфазное состояние сплавов может сохраняться при изменении одного фактора равновесия — температуры; другой же фактор .(концентрация жидкой фазы) уже не может быть изменен произвольно и связан с температурой. Поэтому состояния сплавов во время превращений (1) и (2) обладают одной степенью свободы, т. е. равновесие будет одновариантным.

 

Наконец, в том случае, когда мы находимся на эвтектической линии COD и из жидкости образуется смесь двух фаз [согласно превращению (3)], в системе (сплаве) имеются одновременно три фазы и равновесие становится безвариантным. Самый вид линии (горизонталь) свидетельствует о постоянстве температуры, а составы всех трех фаз вполне определяются точками; для жидкой фазы точкой О, а для твердых компонентов точками С и D.

 

Нетрудно заметить, что сам по себе вид кривых на диаграммах указывает характер равновесия в сплавах: горизонтальные линии определяют места, где наблюдается безвариантное равновесие, а под наклонными линиями будет одновариантное равновесие.

 

Так как линии на диаграмме отвечают соответствующим превращениям в сплавах, то эти превращения можно характеризовать также терминами в связи с равновесием: безвариантным — для превращений на горизонтальных линиях, полностью совершаемых при одной температуре,- и одновариантным — для превращений под наклонными линиями, протекающих в интервале температур.

 

Подобная характеристика, основанная на правиле фаз, прило-жима ко всем видам диаграмм равновесия.

Article Global Facebook Twitter Myspace Friendfeed Technorati del.icio.us Digg Google StumbleUpon Eli Pets

Comments are closed.