Diagramy fazowe stopów binarnych: Liquidus, Solidus i reakcja eutektyczna

Czytanie mapy: liquidus, solidus i obszar dwuskładnikowy

Diagram fazowy stopu binarnego przedstawia skład chemiczny wzdłuż osi poziomej – od 100% pierwiastka A po lewej stronie do 100% pierwiastka B po prawej – względem temperatury na osi pionowej. Dwa najważniejsze granice to liquidus, górna krzywa powyżej której stop jest całkowicie roztopiony, i solidus, dolna krzywa poniżej której jest on całkowicie stały. Pomiędzy nimi znajduje się obszar dwuskładnikowy w kształcie soczewki, gdzie ciecz i ciało stałe współistnieją w stanie równowagi.

Czysty metal topi się w jednej, ustalonej temperaturze, ponieważ jego liquidus i solidus zbiegają się w jednym punkcie. Stop o pośrednim składzie zmarzaję w zakresie: pierwsze pojawiające się kryształy stałe powstają w temperaturze liquidus, a kontynuując chłodzenie pozostała ciecz staje się stopniowo bogatsza w element o niższej temperaturze topnienia, aż do ostatniej cieczy, która skryształowuje się w punkcie solidus.

Zasada dźwigni

W dowolnym punkcie wewnątrz obszaru dwofazowego, pozioma linia łącząca (tie line) wskazuje względne ilości ciekłego i stałego metalu obecnych. Jest to zasada dźwigni, bezpośrednia konsekwencja zachowania masy:

f_stały = (C₀ − C_L) / (C_S − C_L) C₀ = skład chemiczny całej stopowej mieszaniny C_L, C_S = skład ciekłego i stałego metalu na końcach linii łączącej Geometria zachowuje się dokładnie jak zbalansowana dźwignia, stąd też nazwa – ułamek jednej fazy jest równy długości przeciwległej ramienia podzielonej przez całkowity długość linii łączącej, szczegół, który myli wielu uczniów, którzy sięgają po bliższe ramię zamiast tego.

f_solid = (C₀ − C_L) / (C_S − C_L)

C₀ = overall alloy composition
C_L, C_S = liquid and solid compositions at the ends of the tie line

Reakcja eutektyczna

Wiele układów stopowych charakteryzuje jedynie ograniczona rozpuszczalność stałą, co oznacza, że dwa metale nie mogą w pełni rozpuścić się w sobie jako fazy stałe. Wówczas linię liquidus dzielą dwie gałęzie opadające od poszczególnych temperatur topnienia czystych metali, które spotykają się w punkcie minimum o niskiej temperaturze zwanym punktem eutektycznym – od greckiego słowa oznaczającego „łatwo topiący się”. W tym punkcie pojedyncza faza ciekła jednocześnie przekształca się w dwie oddzielne fazy stałe: Liquid → α + β, przy ustalonej temperaturze i ustalonej zawartości składników.

Ta invariantna reakcja jest ustalona przez prawo fazowe Gibbsa, F = C − P + 1. Przy dwóch składnikach i trzech fazach w stanie równowagi naraz stopień swobody F spada do zera – zarówno temperatura, jak i wszystkie trzy zawartości składników są unikalnie określone. Powstała mikrostruktura charakteryzuje się drobnym, często łamliwym, wzajemnym przerzedzeniem obu faz stałych, ponieważ obie muszą krystalizować razem z tej samej cieczy.

Dlaczego inżynierowie projektują wokół kompozycji eutektycznej

Swały o bazie tynku i ołowiu oraz swały z tynku i srebra, miedzi, znajdują się w pobliżu kompozycji eutektycznych, dzięki czemu topią się i zastygają ostro w jednej niskiej temperaturze, unikając powolnego, pastowatego zakresu, który spowodowałby słabe połączenia. Stopy aluminiowo-silikonowe do odlewania są wybierane w pobliżu ich eutektycznych, aby poprawić płynność formy i zredukować defekt skurczu – to dlatego dominują w cylindrach silnikowych samochodów. "Białe metale" na bazie ołowiu i tynku wykorzystują miękką matrycę eutektyczną z twardymi, rozproszonymi fazami, stanowiącą równowagę odczytaną bezpośrednio z diagramu. Nawet obróbka cieplna stali wraca do tych samych idei, poprzez reakcję eutektyczną na diagramie żelaza i węgla.

Równowaga versus rzeczywiste chłodzenie

Diagramy fazowe opisują równowagę – nieskończenie powolne chłodzenie, które daje czas na dyfuzję i utrzymanie każdego atomu w idealnym miejscu. W rzeczywistości odlewy szybciej się chłodzą, co powoduje efekty nierównowagi, takie jak korowanie, gdzie środek ziarna pozostaje bogatszy w wyższotopny pierwiastek niż jego krawędzie, ponieważ dyfuzja nie nadąża za tempem. Rozpoznawanie momentów, w których założenia diagramu przestają obowiązywać, jest równie ważne jak czytanie samego diagramu.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz the simulation i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.