3) Диаграмма состояния
Диаграмма состояния - графическое отображение равновесного состояния бесконечной физико-химической системы при условиях, отвечающих координатам рассматриваемой точки на диаграмме (носит название фигуративной точки).
Обычными координатами для построения фазовой диаграммы являются термодинамические параметры — температура и давление — и состав системы (в мольных или массовых процентах).
В общем случае количество координат превышает число компонентов системы на единицу (диаграмма однокомпонентной системы двумерна, двухкомпонентной — трёхмерна и т. п.) Для конденсированных систем зачастую не учитывают изменение фазовых равновесий за счёт давления, в этом случае число измерений диаграммы равно числу компонентов (диаграмма конденсированной двухкомпонентной системы двумерна, трёхкомпонентной — трёхмерна и т. п.) Сложные фазовые диаграммы в печатных изданиях изображают в виде сечений или проекций.
Согласно правилу фаз, на двумерной диаграмме однофазная область описывается полем, двухфазная — линией (на p-T диаграммах) или набором параллельных линий конод, для которых фиксированы составы равновесных фаз (на диаграммах с участием состава), трёхфазная — точкой (на p-T диаграммах) или горизонталью (на T-x или p-x диаграммах).
Диаграммы однокомпонентных систем
На фазовых диаграммах однокомпонентных систем поля, по правилу фаз, соответствуют однофазным состояниям, линии, разграничивающие их — двухфазным, точки пересечения линий — трёхфазным (эти точки называют тройными точками).
Двухфазные линии, как правило, либо соединяют две тройные точки, либо тройную точку с точкой на оси ординат, отвечающую нулевому давлению. Исключение составляет линия жидкость-газ, заканчивающаяся в критической точке. При температурах выше критической различие между жидкостью и паром исчезает.
4) Ликвидус, Солидус
Ликвидус - на фазовых диаграммах линия полного плавления твёрдых фаз.
Температура ликвидуса - это максимальная температура насыщения первичной твёрдой фазой расплава данного валового состава. Выше этой температуры система полностью жидкая. Иными словами, это температура, при которой в равновесных условиях выпадает первый кристалл. Хотя при понижении температуры будет выпадать всё больше кристаллов, возможно получение однородного вещества при путём достаточно быстрого охлаждения, т. е. с помощью кинетического ингибирования процесса кристаллизации.
В системе переменного состава ликвидус является геометрическим местом точек в координатах Температура-Состав, отвечающим максимальному насыщению твёрдой фазой расплавленной фазы.
Солидус - линия на фазовых диаграммах, на которой исчезают последние капли расплава, или температура, при которой плавится самый легкоплавкий компонент.
Солидус — кривая, которая показывает для каждой температуры состав твёрдой фазы, которая может находиться в равновесии с жидкой.
5) Фаза
Фаза - термодинамически однородная по свойствам часть термодинамической системы, отделенная от других фаз поверхностями раздела, на которых скачком изменяются некоторые свойства системы. Другое определение: Фаза — гомогенная часть гетерогенной системы. В однокомпонентной системе разные фазы могут быть представлены различными агрегатными состояниями или разными полиморфными модификациями вещества. В многокомпонентной системе фазы могут иметь различный состав и структуру. В любом случае при наличии раздела фаз подразумевается принципиальная возможность перехода вещества из одной фазы в другую.
6) Структурные составляющие.
Структурная составляющая, часть микроструктуры сплава, характеризуемая одинаковым средним химическим составом и однообразным расположением и формой зерен образующих ее фаз.
Структурная составляющая возникает при каком-либо фазовом превращении. Микроструктура может состоять из одной или нескольких Структурная составляющая Так, в эвтектоидной стали после отжига имеется лишь одна Структурная составляющая - перлит, а в заэвтектоидной стали - две: перлит и вторичный цементит,
Структурная составляющая может быть образована кристаллитами (зёрнами) одной или нескольких фаз.
7) Правило фаз для металлических систем.
Общие закономерности сосуществования устойчивых фаз, отвечающих теоретическим условиям равновесия, могут быть выражены в математической форме, именуемой правилом фаз, или законом Гиббса.
Правило фаз дает количественную зависимость между степенью свободы системы и количеством фаз и компонентов.
Фазой называется однородная часть системы, отделенная от других частей системы (фаз) поверхностью раздела, при переводе через которую химический состав или структура вещества изменяется скачком.
Следовательно, однородная жидкость является однофазной системой, а механическая смесь двух видов кристаллов — двухфазной, так как каждый кристалл отличается от другого по составу или по строению и они отделены один от другого поверхностью раздела.
Компонентами называются вещества, образующие систему.
Следовательно, чистый металл представляет собой однокомпонентную систему, сплав двух металлов — двухкомпонентную и т. д. Химические соединения можно рассматривать как компоненты лишь в том случае, если они не диссоциируют на составные части в исследуемых интервалах температур.
Под числом степеней свободы (вариантностью) системы понимают число внешних и внутренних факторов (температура, давление и концентрация), которое можно изменять без изменения числа фаз в системе.
Если число степеней свободы равно нулю (нонвариантная система) то, очевидно, нельзя изменять внешние и внутренние факторы системы (температуру, давление, концентрацию) без того, чтобы это не вызвало изменения числа фаз.
Если число степеней свободы равно единице (моновариантная система), то возможно изменение в некоторых пределах одного из перечисленных факторов и это не вызовет уменьшения или увеличения числа фаз.
Правило фаз представляет собой математическое выражение условия равновесия системы, т. е. уравнение правила фаз показывает количественную зависимость между числом степеней свободы системы с и числом компонентов k и фаз f:
c=k—f+ 2. Для металлов данная зависимость принимает вид:
с=k – f +1. Изменяться у металлов будет лишь температура, давление принимает маленькое значение у металлов.
8) Число степеней свободы.
Число степеней свободы: наименьшее число независимых координат, определяющих положение и конфигурацию молекулы в пространстве.
Число степеней свободы для одноатомной молекулы -3 (поступательное движение в направлении трех координатных осей), для двухатомной - 5 ( три поступательных и две вращательных, т.к. вращение вокруг оси Х возможно только при очень высоких температурах), для трехатомной -6 ( три поступательных и три вращательных).
9) Эвтектическая реакция, перитектическая реакция, эвтектоидная реакция.
Эвтектическая реакция – реакция кристаллизации одновременно двух ( или более ) видов кристаллов из жидкости.
Перитектическая реакция представляет собой реакцию, когда жидкость реагирует с ранее выпавшими кристаллами и образует новый вид кристаллов.
Эвтектоидными превращениями называется такое превращение, при котором одна твердая фаза при охлаждении превращается в две новые. Эвтектоидная реакция может проходить в широкой области температур, а получающиеся при этом структуры и свойства тел в соответствии с этим могут быть весьма разнообразны.
1. Вычертите диаграмму состояния сплава, приведенного на рисунке.
Отметьте фазы во всех областях этой диаграммы состояния.
2.Построить кривую охлаждения для 3-х различных составов ( % ).
Для каждого участка кривой охлаждения описать фазовые и структурные
изменения сплавов
1)
участок |
f |
структура |
c |
0-1 |
L |
L |
2 |
1-2 |
L→α |
L→α |
1 |
2-2’ |
L→α+(Cu3As) |
L→α+(Cu3As) |
0 |
2’-3 |
α+Cu3As |
α+Cu3As |
1 |
2)
участок |
f |
структура |
c |
0-1 |
L |
L |
2 |
1-1’ |
L→эвт(Cu+As) |
L+эвт(Cu+As) |
0 |
1’-2 |
Эвт(Cu+As) |
Эвт(Cu+As) |
2 |
3)
участок |
f |
структура |
c |
0-1 |
L |
L |
2 |
1-2 |
L→Cu3As |
L+ Cu3As |
1 |
2-2’ |
L+Cu3As→Cu3As2 |
L+Cu3As→Cu3As2 |
0 |
2’-3 |
Cu3As+Cu3As2 |
Cu3As+Cu3As2 |
1 |
3.3.Определить фазовый и структурный состав сплава при 2х температурах
(Т1 =8000C ) и (Т2 =5000C ) выше и ниже линии солидуса
T1=8000C (Сu(90%)+As(10%)) |
участок |
f |
структура |
1-2 |
α |
L+α |
|
2-3 |
L |
L |
|
3-4 |
L+Cu3As |
L+Cu3As |
|
|
5-6 |
L+Cu3As2 |
L+Cu3As2 |
T2=5000C (Сu(90%)+As(10%) |
1-2 |
α |
α |
|
2-3 |
As+Cu3As |
As+э(Cu3As) |
|
3 |
Cu3As+As |
Эвт(Cu3As+As) |
|
3-4 |
Cu3As+As |
Эвт(Cu3As+As) |
|
5-6 |
α+Cu3As |
Эвт(α+Cu3As2) |
|
6 |
α+Cu3As |
Эвт(α+Cu3As2) |
|
6-7 |
As+Cu3As2 |
(As+Cu3As2) |
3.4.Определить фазы, их состав и количественное соотношение, пользуясь
правилом отрезков для заданной точки А (Т= 7000С), состав (As(10%)+Cu(90%) ).
1)В точке А f = 2, (L+CuAs)
2) Точка А состоит : (As(10%)+Cu(90%)) Точка М состоит: (As(3%)+Cu(97%)) Точка N состоит: (As(20%)+Cu(80%))
3) Q(CuAs)=((AN)/(MN))*100% Q(CuAs)=((10%)/(17%))*100%=58,82%
4) Q(L)=((MA)/(MN))*100% Q(L)=((7%)/(17%))*100%=41,176%