Глава 3. Фазовые переходы и их влияние на структуру и свойства материалов

Как отмечалось, межфазное взаимодействие оказывает влияние на прочность связи компонентов композита, возможность химических ре­акций и образования новых фаз на границах, формируя такие свойства как термостойкость, устойчивость к действию агрессивных сред, проч­ность и другие важные эксплутационные характеристики нового мате­риала. Поэтому при производстве и эксплуатации композитов возникает актуальная научная физико-химическая проблема изучения граничных хи­мических реакций и фазовых переходов в многокомпонентных системах.

3.1. Основные виды фазовых диаграмм двухкомпонентных систем

При разработке новых соединений огромное значение имеют фа­зовые диаграммы состояния, отражающие взаимодействие компонен­тов, образование твердых растворов, стабилизацию тех или иных фаз, образование промежуточных соединений и фазовые равновесия.

Фазовая диаграмма изображает зависимость устойчивого фазового состояния одно- или многокомпонентного вещества от термодинамиче­ских параметров, определяющих это состояние (температуры, давления, напряженностей электрических и магнитных полей и др.) Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение соотношений между параметрами состояния системы и ее составом. Для двухкомпо­нентных систем обычно строят фазовые диаграммы в координатах тем­пература - состав (при постоянном давлении).

Законы термодинамики определяют условия равновесия фаз и форму диаграмм состояния. Согласно правилу фаз Гиббса, максималь­ное число фаз Р, которые могут сосуществовать в химической системе, плюс число степеней свободы F равно числу компонентов С плюс 2:

P+F=C+2 (3.1)

Характерные виды фазовых диаграмм для двухкомпонентных сис­тем представлены на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Диаграммы состояний разных типов в координатах температура (Т) –состав (С): ж -жидкая фаза; твердые фазы; - химическое соединение компонентов; C,D - тройные точки; - эвтектические точки; М - точки максимума и минимума; Р — перитектическая точка; Е' - эвтектоидная точка; Р - перитектоидная точка

Их условно можно разделить на следующие типы: диаграммы с неограниченной и ограниченной растворимостью компонентов друг в друге; диаграммы с образованием непрерывного ряда твердых раство-

ров с другим компонентом (рис. 3.1, а-в); диаграммы с образованием ограниченных (прерывистых) твердых растворов и механических сме­сей (рис. 3.1, г-л) между компонентами (эвтектические и перитектические превращения (с участием жидкой фазы) и эвтектоидные и перитектоидные превращения (с участием твердых растворов)); диаграммы с обра­зованием химических соединений между компонентами (рис. 3.1, ж, з), диаграммы с полиморфными превращениями и др.

3.2. Фазовые превращения металлических структур

Физической причиной конкретной кристаллической структуры любого элемента и его модификаций является перекрытие валентных и подвалентных оболочек его атомов, приводящее к образованию опреде­ленных межатомных связей. Число, протяженность и симметрия орбиталей атомов данного конкретного элемента полностью определяют число, длину, ориентировку и энергию межатомных связей, образую­щихся в результате перекрытия этих орбиталей, а, следовательно, раз­мещение атомов в пространстве, т.е. кристаллическую структуру, а так­же физико-химические свойства элемента.

Основные виды фазовых превращений рассмотрим на примере ме­таллических структур, поскольку металлы составляют большую часть элементов таблицы Менделеева.