Как читать диаграмму состояния сплава
Диаграмма состояния связывает температуру, химический состав и набор равновесных фаз. Она отвечает на вопрос, какие фазы могут сосуществовать при выбранных условиях, но сама по себе не определяет время превращения, размер зерна или конечную твёрдость детали. Для инженерного чтения сначала устанавливают систему компонентов, давление и тип равновесия, затем проверяют подписи осей. Вертикальная ось обычно показывает температуру; горизонтальная — концентрацию одного компонента. Массовые проценты, атомные проценты и мольные доли не взаимозаменяемы.
Как читать границы
Для бинарного сплава A–B общий состав C0 задаёт вертикальную линию на диаграмме. При охлаждении полностью жидкого сплава пересечение ликвидуса означает начало образования твёрдой фазы в равновесной модели. Пересечение солидуса соответствует исчезновению последнего равновесного количества жидкости. В промежуточной области L + α состав жидкости и состав твёрдой фазы различаются. Их определяют концами горизонтальной коноды при выбранной температуре, а не общей концентрацией сплава.
| Объект | Что определяется | Чего он не задаёт |
|---|---|---|
| Точка T, C0 | Фазовая область | Длительность выдержки |
| Конода | Составы сосуществующих фаз | Форма кристаллов |
| Правило рычага | Количество каждой фазы | Размер фазовых включений |
| Ликвидус и солидус | Равновесные границы жидкого состояния | Реальная температурная неоднородность отливки |
Таблицу можно прокручивать по горизонтали →
Условный пример чтения
Пусть на массовой шкале при некоторой температуре T* конода в области α + L имеет концы Cα = 20% B и CL = 60% B. Общий состав C0 = 35% B. Эти числа задают условную систему, а не экспериментальную диаграмму конкретного сплава. Массовая доля жидкости fL = (35 − 20)/(60 − 20) = 0,375; доля α равна 0,625. Для порции массой 8 кг получается 3 кг жидкости и 5 кг твёрдой фазы. Проверка компонента B: 3 × 0,60 + 5 × 0,20 = 2,80 кг, что совпадает с 8 × 0,35.
Точка C0 не переносится к одному из концов коноды при появлении твёрдой фазы. Средний состав замкнутой системы сохраняется; меняются составы фаз и их количества. При испарении, окислении или добавлении компонентов баланс уже требует отдельного учёта потерь и поступлений. Поэтому лабораторный химический анализ исходного сплава и анализ отдельного кристалла могут давать разные результаты без противоречия.
Массовая и атомная шкалы
Для условных атомных масс MA = 50 г/моль, MB = 100 г/моль состав 35 массовых процентов B преобразуется в xB = (0,35/100)/[(0,35/100) + (0,65/50)] = 0,21212, то есть 21,212 атомного процента B. Это самостоятельный расчёт по определению количества вещества. Если концы коноды заданы в атомных процентах, правило рычага даёт доли по количеству атомов; для перевода в массу дополнительно учитывают средние атомные массы каждой фазы.
При подготовке расчёта фиксируют источник диаграммы, обозначения фаз, выбранную температуру и точность считывания. Размытая граница на рисунке не обосновывает десятые доли процента в результате. Для быстрого охлаждения и выраженной ликвации равновесную диаграмму используют как ориентир, а фактическую структуру подтверждают металлографией и данными о кинетике. Для реального чертежа диаграммы нужны опубликованные координаты границ; условные точки примера не следует соединять линиями и выдавать за свойства материала.