3.2. Диаграммы состояния сплавов.

Процесс кристаллизации чистого металла описать просто. Все металлы имеют одинаковую зависимость температуры от времени при кристаллизации, отличаются они только значением температуры плавления (кривая 1 на рис. 3.2).

Рисунок 2. График зависимости температуры от времени при кристаллизации чистого металла и сплавов: Кривая 1 – охлаждение чистого металла, площадка на кривой соответствует температуре плавления. Кривая 2 – охлаждение твердого раствора, точка a – начало кристаллизации, точка b – окончание кристаллизации. Кривая 3 – охлаждение механической смеси, точка а – начало кристаллизации, точка с – окончание кристаллизации.

Химические соединения похожи на чистые металлы и тоже кристаллизуются при определенной постоянной температуре. Но в наиболее распространенных сплавах (в твердых растворах и в механических смесях) температуры начала и окончания кристаллизации зависят от химического состава сплава. При изменении химического состава на один процент температура может измениться на десятки градусов. Для описания процесса кристаллизации сплавов пришлось создать специальный график – ДИАГРАММУ СОСТОЯНИЯ.

Диаграмма состояния строится в координатах температура – концентрация (химический состав).

Рис 3.3. Общая схема диаграммы состояния.

На графике диаграммы состояния главная особенность в устройстве оси концентрации. Если в левой части оси концентрации указано содержание Pb, то в этой точке количество Pb составляет 100 % и уменьшается слева направо. Количество Sb составляет 100 % в правой точке оси концентрации и уменьшается в обратном направлении. Каждая точка оси концентрации соответствует сумме (Pb + Sb) = 100%.

Для построения диаграммы состояния требуется измерять температуру и время.

Для измерения высоких температур используют ТЕРМОПАРУ. Это два провода, сделанные из двух разных металлов (рис.3.4).

Рис. 3.4. Принцип устройства термопары.

Если два провода сделаны из разных металлов или сплавов и место спая (соединение двух проводов, полученное расплавлением при высокой температуре) имеет повышенную или пониженную температуру, то в проводах возникает электрический ток. Для изготовления термопары выбирают материалы, в которых зависимость напряжения от температуры имеет линейную зависимость. Тогда по величине напряжения (обычно от 10 до 100 mV) определить температуру сплава. Такое устройство для измерения температуры удобно, обеспечивает достаточную точность измерений (ошибка не более 10С) и дешево. Большинство измерений температуры в промышленности проводится с помощью термопар.

3.3. Построение диаграммы состояния.

Диаграмма состояния всегда строится экспериментально. Для этого берут разные химические составы сплава и строят кривые охлаждения (рис. 3.2, зависимость температуры от времени). Для построения одной диаграммы требуется не менее 50 таких кривых (то есть через каждые 2% по химическому составу). Для сплавов со сложными превращениями приходится строить больше кривых. По кривым охлаждения определяют температуры начала и окончания кристаллизации при охлаждении сплава из жидкого состояния. Затем полученные температуры переносят на график диаграммы состояния так, как показано на рис. 3.5. Рисунок построен для сплава, который в твердом состоянии образует механическую смесь. После переноса на график диаграммы состояния результатов для всех исследованных составов сплава на диаграмме состояния соединяют точки начала и окончания кристаллизации.

Рис. 3.5. Перенос данных с кривой охлаждения на график диаграммы состояния. точка 1 – начало кристаллизации сплава; точка 2 - окончание кристаллизации сплава; точка 3 – химический состав сплава на оси концентраций.

После переноса результатов на графике диаграммы состояния соединяют линиями точки начала кристаллизации (эту линию называют линия ЛИКВИДУС) и точки окончания кристаллизации (линия СОЛИДУС) (рис.3.6).

Рис. 3.6. Диаграмма состояния для механической смеси: линия асв – ликвидус, линия Есd – солидус.

Точки а и в соответствуют температурам плавления чистых металлов, условно обозначенных соответственно А и В.

Диаграмма сплава, образующего в твердом состоянии механическую смесь является одной из наиболее простых диаграмм. На примере этой диаграммы рассмотрим основные правила получения информации, которую передают с помощью диаграмм состояния сплавов.