Организационно-правовые формы автотранспортных предприятий

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 поверхностью раздела, при переходе 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:

с = k – f + 2

Независимыми переменными  в уравнении правила фаз являются концентрация, температура и давление. Если принять, что все превращения в металле происходят при постоянном давлении, то число переменных уменьшится на единицу (давление постоянно), и уравнение правила фаз примет следующий вид:

с = k – f + 1

Это выражение правила  фаз будем применять к металлическим системам равновесия, считая давление во всех процессах неизменным.

 

5.2. Общие замечания о построении  диаграмм состояния

 

Диаграмма состояния  показывает изменение состояния  в зависимости от температуры (давление постоянно для всех рассматриваемых случаев) и концентрации.

Если система  однокомпонентна, то диаграмма состояния  будет иметь одно измерение (шкала температур) и соответствующие точки на прямой покажут равновесную температуру изменения агрегатного состояния (рис.5.1.).

Если в системе два компонента, то второе измерение покажет концентрацию сплава: диаграмму строят в двух измерениях (температурa-концентрация) (рис.5.2.).

По оси ординат откладывают  температуру по оси абсцисс - концентрацию. Общее содержание обоих компонентов в сплаве равно 100 %, и каждая точка на оси абсцисс соответствует определенному содержанию каждого компонента. В точке С 40 % В и 60 % А; в точке D 60 % В и 40 % А и т. д. По мере удаления от точки А увеличивается количество компонента В и в точке В его будет 100 %. Следовательно, крайние ординаты на диаграмме соответствуют чистым компонентам, а ординаты между ними - двойным сплавам.

 

Рис.5.1. Изменение агрегатного состояния однокомпонентной системы в зависимости от температуры       Рис.5.2. Координаты для  изображения состояний двухкомпонентной системы

 

Диаграмма состояния  сплавов с тремя компонентами имеет пространственный вид (две оси концентрационные и одна температурная). Четырехкомпонентную систему и системы с большим числом компонентов также изображают в виде пространственных диаграмм, но с некоторыми упрощениями, так как они имеют больше трех независимых переменных.

Каждая точка на диаграмме  состояния показывает состояние  сплава данной концентрации при данной температуре. Каждая вертикаль соответствует изменению температуры определенного сплава. Изменение фазового состояния сплава отмечается на диаграмме точкой. Линии, соединяющие точки аналогичных превращений, разграничивают на диаграмме области аналогичных фазовых состояний.

Вид диаграммы состояния  зависит от того, как реагируют оба компонента друг с другом в твердом и жидком состояниях, т.е. растворимы ли они в твердом и жидком состояниях, образуют ли они химические соединения и т. д.

 

5.3. Экспериментальное построение  диаграмм

 

Обычно для построения диаграмм состояния пользуются результатами термического анализа, т.е. строят кривые охлаждения и по остановкам и перегибам на этих кривых, вызванным тепловым эффектом превращений, определяют температуры превращения.

Вид диаграммы определяется характером взаимодействий, которые возникают между компонентами в жидком и твердом состояниях. Разбор наиболее типичных диаграмм состояния металлических систем приведен в следующих параграфах. Во всех случаях предполагают, что в жидком состоянии существует неограниченная растворимость, т.е. однородная фаза (в дальнейшем будет обозначаться буквой L) существует при любом соотношении компонентов.

Диаграммы с ограниченной растворимостью или с полным отсутствием  растворимости в жидком состоянии рассматриваться не будут, так как сплавы этих систем мало применяют в технике.

 

 

5.4. Термический анализ

 

Температуру металлов измеряют обычно при помощи термопары.

Температура кристаллизации определяется следующим образом. В печь 1 (рис.5.3.) помещают тигелек 2, в котором расплавляют  исследуемый сплав 3. Затем в расплав погружают горячий спай 4 термопары 5 (защищенной фарфоровым или кварцевым колпачком 6) и выключают печь. Начинается охлаждение и температуру отмечают через определенные промежутки времени. Появление изменений в агрегатном состоянии в связи с выделением скрытой теплоты превращения отражается на кривой температура - время.

Имея достаточное количество сплавов и определив в каждом сплаве температуры превращений, можно построить диаграмму состояния.

Для более точного  построения диаграммы состояния в дополнение к термическому методу изучают с помощью микроскопа и рентгеновских лучей структуру сплавов разного состава и по-разному обработанных термически, измеряют разнообразнейшие физические свойства сплавов и т. д.

Обратимся к реальному  примеру. Предположим, что мы имеем систему из двух компонентов, взаимно нерастворимых в твердом состоянии и не образующих друг с другом химических соединений, но неограниченно растворимых в жидком состоянии. Можно принять с некоторым приближением, что такой системой является например, система свинец - сурьма (фактически эти металлы ограниченно растворимы в твердом состоянии). Предположим далее, что имеется серия сплавов этих двух металлов: за процессом кристаллизации этих сплавов наблюдают по кривым охлаждения (рис.5.3.).

 

Рис.5.3. Схема установки  для изучения процесса кристаллизации термическим методом: 1 - печь; 2 - тигель; 3 - расплавленный металл; 4 - горячий спай; 5 - термопара; 6 - колпачок; 7 - холодный спай; 8 - гальванометр

 

Кривая (рис.5.4.а) относится к чистому свинцу. При температуре выше 327 °С свинец находится в жидком состоянии. При 327 °С происходит кристаллизация свинца и ниже 327 °С свинец находится в кристаллическом состоянии. Следовательно, на кривой охлаждения свинца отрезок 0-1 соответствует охлаждению жидкости, отрезок 1-1’ - кристаллизации и 1’-2 - охлаждению твердого тела.

 

Рис.5.4. Кривые охлаждения сплава Рb - Sb

 

Кривая на рис.5.4.б относится  к сплаву с 95 % Рb и 5 % Sb. Кристаллизация начинается при температуре ниже 327 °С (точка 1) и протекает при переменной температуре (от точки 1 до точки 2), а затем при 246 °С оставшаяся часть жидкости кристаллизуется при постоянной температуре (отрезок на кривой охлаждения 2-2'). На отрезке 1-2, т.е. при переменной температуре, из жидкости выделяются кристаллы свинца. Это согласуется с правилом фаз, так как число степеней в этом случае равняется единице. В дачном случае компонентов два, число фаз равняется двум (жидкость и кристаллы свинца) и, следовательно:

с = k - f + 1 = 2 – 2 + 1 = 1

 

Одновременная кристаллизация сурьмы и свинца должна протекать при постоянной температуре (отрезок 2-2'). так как в данном случае при этой температуре имеются три фазы (жидкость, кристаллы сурьмы, степеней свободы равно нулю c = f - k + 1 = 2 – 3 + 1 = 0)

Так как на кривой кристаллизации 1-2 из жидкости непрерывно выделяется свинец, то жидкость по мере кристаллизации свинца обогащается сурьмой. Если к моменту начала кристаллизации свинца (в точке 1) жидкость исследуемого сплава содержала 5 % Sb, то в точке 2 к моменту совместной кристаллизации сурьмы и свинца жидкость, как показывает опыт, содержит 13 % Sb.

Точка 1, отвечающая началу кристаллизации, называется точкой ликвидус, точка 2, отвечающая концу кристаллизации, - точкой солидус.

У сплава с 10 % Sb (см. рис.5.4.в) кристаллизация будет происходить так же, как и у сплава с 5 % Sb, только она начнется при более низкой температуре. Отметим, что совместная кристаллизация свинца и сурьмы у этого сплава начнется при той же температуре, что и у предыдущего сплава, и жидкость к моменту совместной кристаллизации свинца и сурьмы будет иметь такую же концентрацию, как и у предыдущего сплава, когда совместно кристаллизовались свинец и сурьма, т.е. 13 % Sb и 87 % Рb.

Если взять сплав, соответствующий  этому соотношению, т.е. содержащий 13 % Sb и 87 % Рb, то у него из жидкости при одной температуре одновременно выделяется оба вида кристаллов без предварительного выделения свинца (см. кривую рис.5.4.г). Наконец, если взять сплав с содержанием сурьмы более 13%, то предварительно будет выделяться сурьма (см, рис.5.4.д), и сплав по мере выделения сурьмы будет обогащаться свинцом; когда он в процессе кристаллизации охладится до 246 °С, то жидкость будет содержать 13 % Sb и начнется совместная кристаллизация обоих видов кристаллов при постоянной температуре.

У рассмотренных пяти сплавов точки начала (t_н) и конца (t_k) кристаллизации будут находиться при следующих температурах:

 

Сплав	tн,°С	tк,°C
100 % Рb	327	327
95 % Рb + 5 % Sb	300	246
90 % Pb + 10 % Sb	260	246
87 % Pb + 13 % Sb	246	246
75 % Pb + 25 % Sb	340	246

 

Если теперь полученные температуры нанести на диаграмму, где координатами будут температура и концентрация, и затем соединить точки ликвидус одной линией, а точки солидус - другой, то получим диаграмму состояния (рис.5.5.).

 

Рис.5.5. Диаграмма состояния  сплавов свинец-сурьма, построенная по кривым охлаждения (см. рис.5.4.)

 

Геометрическое место  точек ликвидус образует линию ликвидус, а геометрическое место точек солидус - линию солидус.

Очевидно, выше линии  ликвидус сплавы находятся в жидком состоянии, а ниже линии солидус - в твердом. У сплавов, содержащих меньше 13 % Sb, из жидкости сначала выделяется свинец. Следовательно, у этих сплавов в области, лежащей между линией ликвидус и солидус, имеем жидкую фазу и кристаллы свинца. Аналогично у сплавов с содержанием больше 13 % Sb между линией ликвидус и солидус имеем жидкость и кристаллы сурьмы. Таким образом, диаграмма, приведенная на рис. 5, показывает состояние сплава данной системы, т.е. данной пары компонентов при любом их соотношении и при любой температуре. Вот почему такие диаграммы называют диаграммами состояния. По диаграммам состояния изучают природу сплавов, поэтому анализу этих диаграмм уделяют большое внимание при прохождении теоретического металловедения.

Диаграммы состояния позволяют определить, какую структуру будут иметь медленно охлажденные сплавы, а также решить вопрос о том, можно ли добиться изменения микроструктуры в результате термической обработки сплава. Поскольку технологические и эксплуатационные свойства сплавов тесно связаны с их микроструктурой, для практического металловедения очень важно иметь диаграммы состояния.

 

109

5.5. Диаграмма состояния для сплавов,  образующих смеси кристаллов  из чистых компонентов

 

Оба компонента в жидком состоянии неограниченно растворимы, а в твердом состоянии нерастворимы и не образуют химических соединений ¹.

Компоненты: вещества А и В (k = 2).

Фазы: жидкость L, кристаллы А и кристаллы В (максимальное значение f = 3).

Общий вид диаграммы  состояния показан на рис.5.6. Линия АСЕ является линией ликвидус (начало кристаллизации), линия ОСЕ - линией солидус (конец кристаллизации). На линии АС начинают (при охлаждении) выделяться кристаллы Л, а на линии СВ - кристаллы В. На линии DCE из жидкости концентрации С одновременно выделяются кристаллы А и В.

 

Рис.5.6. Диаграмма состояния  для сплавов на основе смеси кристаллов