Главная > Разное > Диаграммы равновесия металлических систем
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

Часть I. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

ГЛАВА 1. ДИАГРАММЫ РАВНОВЕСИЯ И ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ПЕРВОГО РОДА

При нагреве двух или нескольких металлов до достаточно высокой температуры образуется пар, молекулы которого обычно одноатомны, но иногда могут быть и более сложными. Если охладить такой пар при определенном давлении, в конечном счете получится жидкость. В некоторых сплавах может существовать несколько жидких фаз. Однако обычно жидкие металлы полностью растворимы друг в друге. При дальнейшем охлаждении жидкого сплава он затвердевает.

Структура сплава зависит от условий охлаждения, не для сплава данного состава при определенных температуре и давлении существует равновесное состояние, к которому постепенно приближается сплав, если его выдерживать достаточно длительное время. Поскольку равновесное состояние полностью определяется составом, давлением и температурой сплава, можно построить диаграммы равновесия, указывающие структуру сплавов в зависимости от этих переменных. В книге описаны экспериментальные методы построения таких диаграмм.

Обычно мы имеем дело со структурами металлов и сплавов, находящихся при атмосферном давлении. Давление их паров настолько мало, что можно пренебречь его влиянием и существованием парообразной фазы (см. ниже). Таким образом, равновесие между твердой и жидкой фазами можно изучать в зависимости только от температуры и состава. Ниже будет показано, что это не всегда бывает оправдано, но для простоты мы принимаем его для большинства рассматриваемых случаев.

Фазы и фазовые превращения первого рода

Переход из газообразного состояния в жидкое связан с выделением определенной скрытой теплоты превращения. Между этими двумя состояниями вещества имеется ясное качественное различие, и, поскольку существует резкая поверхностная граница между газом и жидкостью, мы можем говорить о наличии газообразной и жидкой фаз. В масштабе, большем, чем радиус атома, каждая фаза физически и химически гомогенна и отделяется от другой фазы поверхностью раздела.

В книге Финдлея [1] понятие о фазе формулируется следующим образом: «Гетерогенная система состоит из различных частей, отделенных друг от друга поверхностью раздела. Эти гомогенные, физически различные и механически разделимые друг от друга части называются фазам и».

Такое определение во многих случаях можно считать удовлетворительным, хотя в настоящее время применительно к некоторым превращениям в твердом состоянии трудно дать четкое определение фазы. Для простоты мы вначале рассмотрим лишь те изменения в металлах и сплавах, которые являются фазовыми превращениями в указанном выше смысле, и назовем их фазовыми превращениями первого рода.

Микроскопическое исследование показывает, что полностью отожженный образец чистого металла состоит из большого количества зерен, отделенных друг от друга границами, которые легко обнаруживаются травлением.

Границы зерен нельзя считать фазовыми границами, хотя свойства смежных кристаллов и могут оказаться различными; это может быть результатом различной взаимной ориентировки зерен.

В поликристаллическом теле материал, находящийся в непосредственной близости от границы, обычно имеет более высокую поверхностную энергию, чем внутри зерна. Таким образом, поликристаллический однофазный образец не находится в истинном равновесии, так как более низкая свободная энергия и более стабильная структура получаются в результате объединения нескольких мелких кристаллов в один монокристалл. Влиянием поверхностной энергии при построении диаграмм равновесия металлических систем обычно пренебрегают, хотя она имеет большое значение при изучении таких проблем, как, например, рост зерна.

Если двухфазный сплав состоит из смеси соприкасающихся друг с другом кристаллов фаз то поверхностная энергия, связанная с поверхностью раздела обычно зависит от относительной ориентировки кристаллов названных фаз. В этом случае для истинного равновесия необходимо, чтобы кристалл А соприкасался с кристаллом В по поверхности с наиболее низкой поверхностной энергией. Величина этой энергии часто имеет важное значение для объяснения мелкокристаллической структуры сплавов. Например, известно, что в случае равновесия между твердой фазой и жидкостью растворимость твердой фазы возрастает с уменьшением размеров частицы. Аналогичное явление также наблюдается при взаимодействии между твердыми фазами. Почти во всех работах по изучению диаграмм равновесия влияние поверхностной энергии во внимание не принимается, так как при размерах кристаллов больше эта энергия относительно мала.

Обычно утверждают, что на диаграммах равновесия показаны структуры сплавов в равновесных условиях; однако из сказанного выше видно, что это утверждение правильно только отчасти. В обычных диаграммах равновесия не учитываются размеры, форма и взаимная ориентировка отдельных кристаллов, хотя эти характеристики очень важны при определении механических свойств сплава и должны быть приняты во внимание при рассмотрении условий абсолютного равновесия в строгом термодинамическом смысле. На диаграммах равновесия металлических систем показаны количество и природа, а в некоторых случаях, состав отдельных фаз, присутствующих в сплаве данного состава при данной температуре, в обычных практических условиях, при которых влиянием поверхности, размеров, формы и ориентировки можно пренебречь.

В книге рассматривается равновесие только в указанном выше смысле. Время, требующееся для достижения равновесия в различных сплавах, изменяется в широких пределах в зависимости от того, связаны ли изменения с атомной миграцией, т. е. с диффузией на большие расстояния, или атомы перераспределяются без такого перемещения.

В случае диффузии условия достижения равновесия в различных сплавах приблизительно можно сравнивать при температурах, составляющих равные части соответствующих абсолютных температур плавления. Однако это приближенное правило имеет много исключений.

Так, для достижения равновесия при 650° латунь, содержащую несколько процентов кобальта, необходимо

отжигать в 5—10 раз дольше, чем соответствующий сплав, содержащий марганец. Во всех случаях, связанных с диффузией, время, требующееся для достижения равновесия, резко увеличивается с понижением температуры. Согласно А. Брэдли [2], литой сплав железа и никеля достигает равновесия при 600° в течение 24 час., в то время как при 300° время достижения равновесия превышает один год, а при более низких температурах скорость превращения оказывается недостаточной для ее экспериментального определения.

В противоположность этому некоторые превращения, не связанные с перемещением атомов на большие расстояния, происходят очень быстро даже при сравнительно низких температурах. Так, аллотропическое превращение лития, связанное с переходом его решетки из объемноцентрированной кубической в плотноупакованную гексагональную, сопровождается мартенситными сдвигами атомов и происходит настолько быстро, что не может быть предотвращено даже при температуре —180°. Было также показано, что превращение в железоникелевых сплавах происходит всего лишь при 4° абсолютной шкалы.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление