Фазовые

09 Апреля в 9:49 2384 0


Сплав может состоять из большого количества разных фаз, образование которых зависит от его состава и температуры плавления. Был разработан графический способ изображения процесса образования фаз, известный под названием «фазовая диаграмма состояния». На такой диаграмме отображены все фазы (включая жидкую), присутствующие при определенной температуре в сплаве данного состава.

 

Твердые растворы

 

Простейшими для нашего понимания фазовыми диаграммами являются бинарные диаграммы состояния.

 

Примером такой фазовой диаграммы является простая система, представленная на Рис. 1.5.8. Эта фазовая диаграмма составлена для двух элементов — меди и никеля, по вертикальной оси отложена температура, а по горизонтальной — состав смеси. Медь и никель схожи по своим свойствам, поэтому они могут с легкостью замещать друг друга в кристаллической решетке, и образовывать типичные твердые растворы замещения. Таким образом, при постепенном переходе состава от чистой меди к чистому никелю, будет образовываться всего одна фаза.

 stomatologicheskoe materialovedenie_1.5.8.jpg

Рис. 1.5.8. Фазовая диаграмма равновесия для системы CuHNi, соотношение компонентов в которой 50 Си : 50 Ni при 1300°С дает составы, обогащенные медью в жидком расплаве и обогащенные никелем H в твердом состоянии

 

Хотя некоторые полагают, что температура плавления такого сплава будет находится где-то между температурами плавления чистой меди и чистого никеля, на самом деле это не так. Сразу сложно понять, почему на диаграмме появляется область, в которой присутствуют одновременно жидкий расплав и твердая фаза. Линия, которая отделяет область только жидкой фазы от области, состоящей из жидкости и твердой фазы, называется ликвидусом или линией ликвидуса, а линия, отделяющая смесь жидкости и твердого от области, в которой присутствует только твердая фаза, известна под названием солидуса или линией солидуса.

 

При твердении чистого металла, переход от жидкого в твердое состояние происходит при вполне определенной температуре; такой температурой является характеризующая физические свойства данного металла температура плавления. Если для чистого металла построить кривую в координатах температура — время, она будет иметь вид, представленный на Рис. 1.5.9.

 stomatologicheskoe materialovedenie_1.5.9.jpg

Рис. 1.5.9. Кривая охлаждения расплава чистого металла

 

Протяженность плато на кривой соответствует периоду, в течение которого происходит твердение металла, а линии ликвидус и солидус совместились в одной точке. Причиной образования плато является высвобождение энергии (в форме тепла) при твердении материала, которая поддерживает постоянную температуру металла при его твердении. Эта энергия называется скрытой теплотой плавления.

 

При смешивании двух металлов для получения сплава, кривая охлаждения выглядит иначе (Рис. 1.5.10), поскольку твердение сплава происходит не при одной температуре, а в определенном температурном интервале. Ликвидус и солидус становятся раздельными точками на кривой охлаждения (Рис. 1.5.10).

 

Причина расширения интервала температур, в котором происходит переход от твердого состояния к жидкому в сплаве меди и никеля, заключается в том, что атомы этих металлов не являются идентичными.

 stomatologicheskoe materialovedenie_1.5.10.jpg

 Рис. 1.5.10. Кривая охлаждения сплава

 

Следовательно, в области, находящейся между разными температурами плавления этих двух металлов, остается жидкий расплав, обогащенный медью, имеющий более низкую точку плавления, и появляется твердая фаза, обогащенная никелем с более высокой точкой плавления. В данной температурной области эти фазы представляют собой самые стабильные соединения.

 

Например, для состава, содержащего 50% меди и 50% никеля, при температуре 1300°С, в твердом никеле может содержаться не более 37 массовых процентов меди. Следовательно, любые лишние атомы меди, выходящие за пределы уровня 37%, переходят в жидкое состояние и смешиваются с оставшимся никелем. Такая смесь твердого и жидкости обладает более низкой свободной энергией, чем однофазное состояние.

 

Положение линий солидус и ликвидус связано с пределами растворимости, и на этом основано построение фазовых диаграмм. Вычерчивая для разных композиций по эмпирическим данным серию кривых охлаждения, представленных на Рис. 1.5.11, можно построить фазовую диаграмму, схематически представленную на Рис. 1.5.8. По мере снижения температуры состава 50 : 50 (50% меди и 50% никеля), растворимость меди в никеле повышается, и это будет продолжаться до температуры ~1220°С. При этой температуре вся имеющаяся медь растворится в никеле с образованием однофазного твердого раствора, обладающего наиболее стабильной структурой.

 stomatologicheskoe materialovedenie_1.5.11.jpg

Рис. 1.5.11. Построение фазовой диаграммы

 

Частичная растворимость в твердом состоянии

 

Чаще бывает так, что компоненты материалов не обладают достаточной растворимостью для того, чтобы образовать абсолютные твердые растворы. Примерами таких компонентов являются медь и серебро, отличающиеся размерами атомов, и поэтому способные только к частичному растворению друг в друге.

 

Фазовая диаграмма для этой системы представлена на Рис. 1.5.12. Для большинства соотношений между медью и серебром, материал будет состоять из двух фаз, одной — обогащенной серебром, и другой —медью; для удобства назовем их а-фазой и (3-фазой, соответственно, а-фаза состоит, главным образом, из серебра с небольшой добавкой растворенной в нем меди, в то время, как (5-фаза — из меди с небольшим количеством растворенного в ней серебра.

 

При низких концентрациях меди в композиции серебромедь, вся присутствующая медь растворится в серебре, при этом образуется только одна фаза. Максимальная растворимость меди в серебре составляет 8,8 массовых процентов при температуре 780°С.

 stomatologicheskoe materialovedenie_1.5.12.jpg

Рис. 1.5.12. Фазовая диаграмма равновесия для системы AgHCu

 

При понижении температуры растворимость меди в серебре также значительно понижается, и избыток меди как бы выпадает в осадок, образуя вторую, р-фазу.

 

Аналогично поведет себя серебро при его низкой концентрации в составе сплава серебро-медь. В этом случае ограниченная растворимость серебра в меди также приведет к образованию двухфазной структуры.

 

Интересной и важной частью фазовой диаграммы системы Ag — Си является снижение температуры ликвидуса при получении композиции, состоящей из 72 частей серебра и 28 частей меди (72Ag:28Cu). При температуре 780°С сплав будет состоять из трех фаз: жидкой фазы, ос-фазы и Р-фазы. Эта точка называется точкой эвтектики или эвтектической точкой, а температура, при которой существуют все три фазы — температурой эвтектики или эвтектической температурой. Подобные композиции называются эвтектическими составами, или сплавом эвтектического состава.

 

При охлаждении жидкости эвтектического состава, она сразу же превращается в две твердые фазы, без образования промежуточной смеси жидкости с твердым — того, что наблюдается у сплавов неэвтектического состава. Это свойство некоторых систем сплавов можно использовать для образования материалов с низкой температурой плавления, например, припоев.

 

Аналогично тому, как при эвтектической температуре из одной жидкой фазы образуются две твердые фазы, такие же превращения (образование двух фаз из одной) могут наблюдаться и в твердом состоянии.

 

Примером такого превращения служит система Fe - С, фазовая диаграмма которой представлена на Рис. 1.5.13. Для композиции 0,8С : 99,2Fe, при температуре 723°С твердый раствор, у-фаза, переходит в твердый раствор углерода в железе, осфазу, и карбид железа, Fe3C. Такой переход называется эвтектической реакцией, и отличается от эвтектики тем, что все три фазы существуют в твердом виде.

 

 stomatologicheskoe materialovedenie_1.5.13.jpg

 Рисунок 1.5.13 Фазовая диаграмма равновесия для системы FeHC

 

 

Фазовые превращения или фазовые переходы, подобные описанному выше, играют важнейшую роль в образовании микроструктуры, которая, в свою очередь, определяет свойства сплава. Следует отметить, что существуют и другие виды фазовых переходов.


Основы стоматологического материаловедения
Ричард ван Нурт

Похожие статьи
показать еще
 
Стоматология и ЧЛХ