5.2.1. Правило фаз
При рассмотрении процессов превращения в диаграммах равновесного состояния сплавов широко применяется так называемое «правило фаз», дающее возможность проверить правильность построения диаграмм и теоретически обосновать направление протекания процессов превращения для установления равновесного состояния системы, которое определяется следующими переменными факторами: температурой, давлением и составом фаз системы (концентрацией).
Число переменных величин (концентрация фаз, температура, давление), которые могут изменяться независимо друг от друга, называется числом степеней свободы или вариантностью системы.
Число степеней свободы зависит от количества компонентов, числа фаз в системе и переменных внешних условий - температуры и давления. Так как давление в практических условиях изменяется в небольших пределах, не оказывая существенного влияния на процессы превращения, то основным переменным фактором является только температура и тогда уравнение «правила фаз Гиббса» имеет вид
где,
С
≥ 0 - число степеней свободы (вариантность
системы), К
– число компонентов в системе, Ф
- количество фаз, находящихся в равновесии
при рассматриваемых условиях.
Если число степеней свободы системы равно нулю (С = 0), то такое равновесие называют нонвариантным (безвариантным). Это означает, что сплав с данным числом фаз может существовать только при определенных условиях: при постоянной температуре и определенной концентрации всех находящихся в равновесии фаз. Если С = 1, то такая система называется моновариантной (одновариантной), т. е. чтобы не нарушилось равновесное состояние фаз, можно изменить либо концентрацию фаз, либо температуру. Когда С = 2, система бивариантна (двухвариантна). Наличие одной или двух степеней свободы позволяет изменять одну или две переменных без изменения числа фаз. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов дает представление о строении основных конструкционных сплавов - сталей и чугунов.
Диаграмма железо-цементит (рис.5.1) служит основой для уяснения процессов, происходящих при нагревании или охлаждении железоуглеродистых сплавов (сталей и чугунов). На горизонтальной оси концентраций отложено содержание углерода от 0 до 6,67%. Левая вертикальная ось соответствует 100% содержанию железа. На ней отложены температура плавления железа и температуры его полиморфных превращений. Правая вертикальная ось (6,67% углерода) соответствует 100% содержанию цементита. В зависимости от температуры и концентрации углерода железоуглеродистые сплавы имеют следующие структурные составляющие: феррит, аустенит, цементит, перлит, ледебурит.
В таблице 5.1 приведена характеристика структурных составляющих железоуглеродистых сплавов.
Анализ диаграммы в настоящей работе проводится по упрощенной диаграмме без ее левого верхнего уголка. При анализе рассматриваются линии и точки диаграммы (табл.5.2 и 5.3), применяются правила фаз и отрезков.
Линия ACD - линия ликвидус, начала кристаллизации. Линия AECF – солидус, конца кристаллизации, ниже которой все сплавы находятся в твердом состоянии и при дальнейшем охлаждении происходят только процессы, связанные с изменением растворимости углерода в Feи Fe, а также процессы, которые обусловливаются аллотропическим (поли- морфным) превращением железа. Выше линии АСD все сплавы находятся в жидком состоянии и число степеней свободы С= К – Ф + 1 = 2 – 1 + 1 = 2 (рис. 5. 1). Это значит, что сплавы можно нагревать и охлаждать, менять их концентрацию и они остаются жидкими в состоянии равновесия. Между линиями АС и АЕС и линиями СD и CF сплавы двухфазны, состоят из твердой фазы и жидкости, и при этом число степеней свободы равно
С = 2 - 2 + 1 = 1 (табл. 5.2).
Из вышеуказанного следует, что система в данных областях располагает одной степенью свободы и для сохранения ее равновесия можно менять лишь один фактор равновесия - либо температуру, либо концентрацию.
Рис. 5.1. Диаграмма состояния железо – цементит
Таблица 5.1