Построение диаграмм состояния методом термического анализа

Диаграмма состояния (рис. 1) представляет собой графическое
изображение; состояния сплавов в зависимости от температуры и
концентрации компонентов. Она позволяет определить агрегатное состояние
сплавов в заданном диапазоне интервалов температур и химического состава,
а также компоненты, фазы и структурные составляющие в количественном и
качественном отношении.
Компоненты - это составляющие сплавов, имеющие свои физические
и механические свойства. Компонентами черных сплавов (сталей и чугунов)
являются железо Fе и углерод С.
Фазой называется однородная часть системы (сплава), имеющая свои
физические и механические свойства, отделенная от других частей
поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или
структура сплава изменяются скачкообразно.
Диаграмма состояния показывает устойчивые состояния, т. е.
состояния, которые при данных условиях обладают минимумом свободной
энергии. Поэтому диаграмма состояния может также называться диаграммой
равновесия, так как она показывает, какие при данных условиях существуют
равновесные фазы. В соответствии с этим и изменения в состоянии, которые
отражены на диаграмме, относятся к равновесным условиям, т. е. при
отсутствии перегрева или переохлаждения. Однако равновесные
превращения в действительности не могут совершаться, поэтому диаграмма
состояния представляет собой
Построение диаграмм состояния осуществляют с помощью метода
термического анализа.
Термический анализ – это метод исследования различных материалов,
основанный на определении температурных эффектов, проявляющихся при
нагревании или охлаждении.

У большинства веществ при постоянных для каждого из них
температурах происходят изменения физического состояния или
химического состава, сопровождающиеся выделением или поглощением
тепла. Регистрируя эти эффекты и сопоставляя их с характером и
температурой фазовых превращений известных веществ, можно
идентифицировать исследуемое вещество.
Метод термического анализа – совокупность экспериментальных
методов определения температуры, при которой в равновесной системе
изменяется число фаз.
Сущность метода термического анализа заключается в том, что
процессы, протекающие в веществе и сопровождающиеся тепловым
эффектом, приводят к появлению изотермических остановок или изменения
угла наклона кривой температура – время.
Различают: визуальный термический анализ (простая термография) и
термический анализ, основанный на построении кривых охлаждения
(дифференциальная термография).
Метод построения кривых охлаждения (Н. С. Курнаков) основан на
том, что пока в охлаждаемой системе не происходит никаких превращений,
температура падает равномерно. Появление или исчезновение фаз
сопровождается тепловыми эффектами, на кривой охлаждения появляются
перегибы или происходит температурная остановка. Таким образом, по
изломам на кривых охлаждения можно судить об изменении фазового
состава исследуемой смеси.
При термическом анализе:
а) отбирают пробы с заданной концентрацией компонентов (или
чистый металл);
б) нагревают пробу до растворения;
в) охлаждают сплав (чистый металл), фиксируя температуру через
равные промежутки времени;
г) строят кривые охлаждения и определяют критические температуры.

Под кривой охлаждения понимают график, который характеризует
скорость охлаждения сплава или чистого металла.
Критическая температура – температура, при которой происходит
какое-либо превращение в металле (переход из жидкого состояние в твердое
или перекристаллизация), а точки, обозначающие начало и конец этого
превращения – критические точки.
Для определения критических точек, одновременно с термическим
анализом, могут применяться и другие методы исследования:
металлографический, рентгеноструктурный.
В качестве примера рассмотрим порядок построения диаграммы
состояния «Железо – углерод» (рис. 1).
Диаграмму состояния строят на основании кривых охлаждения ряда
сплавов различной концентрации данной системы.
По остановкам и перегибам на кривых охлаждения определяют
критические точки, которые используют для построения диаграмм
состояния.
На кривых охлаждения перегибы и остановка температуры вызваны
тепловым эффектом превращений. Во время кристаллизации высвобождается
энергия поступательного движения атомов, которая выделяется в виде
теплоты, называемой скрытой теплотой кристаллизации
(перекристаллизации). Эта теплота компенсирует внешний отвод тепла в
процессе охлаждения сплава, скорость снижения температуры
задерживается.
В результате исследования чистых веществ и нескольких сплавов с
различным содержанием компонентов получают серию кривых охлаждения.
Затем строят диаграмму плавкости системы, откладывая по оси ординат
температуру плавления (кристаллизации) чистых веществ, смесей (сплавов),
а по оси абсцисс - состав в массовых, атомных и т.д. процентах, т.е.
содержание одного из компонентов.

Рисунок 1 – Построение диаграммы «Железо – углерод» методом термического анализа (по кривым охлаждения

сплавов различного состава)

Построение фазовых диаграмм состояния является тонким и
трудоемким исследованием. Однако большая ценность полученных с их
помощью результатов вполне оправдывает затраченный труд.
Диаграммы состояния позволяют судить о внутренней структуре
металлов и сплавов, об образовании различных соединений между
компонентами и их составе, об образовании смешанных кристаллов,
полиморфных превращениях и многих других особенностях внутреннего
строения сплавов.