Ця симуляція відображає рівноважну фазову діаграму двокомпонентної (подвійної) сплавної системи з простою евтектикою. Ви можете переміщати курсор по діаграмі, щоб зчитувати фазову зону, частки фаз (за правилом важеля), та спостерігати анімований шлях тверднення від ліквідусу до кімнатної температури.
Ліквідус (сторона A): T_L = T_A + (T_E - T_A) * (x / x_E)^k
Ліквідус (сторона B): T_L = T_B + (T_E - T_B) * ((1-x) / (1-x_E))^k
Правило важеля (кашоподібна зона):
f_рідина = (x0 - x_S(T)) / (x_L(T) - x_S(T))
f_тверде = 1 - f_рідина
Правило фаз Гіббса: F = C - P + 2
Однофазна зона: F = 2 (T та x вільні)
Двофазна зона: F = 1 (T визначає x_L та x_S)
Евтектика: F = 0 (інваріантна точка)Евтектика Pb-Sn при 63/37 мас.% (183 °C) була основою електронного паяння протягом більш ніж століття. Сучасні безсвинцеві припої (Sn-Ag-Cu, SAC305) зміщують евтектику до ~217 °C, що зажадало повної переробки всієї індустрії монтажу друкованих плат для роботи при вищих температурах.
Що таке фазова діаграма подвійного сплаву?
Фазова діаграма подвійного сплаву відображає рівноважні фази двокомпонентної системи залежно від складу (вісь x, мол.% компонента B) та температури (вісь y). Вона показує, яка фаза або їх комбінація — рідина, тверда α, тверда β — є стабільною в кожній точці (x, T).
Що таке евтектична точка?
Евтектична точка — це унікальна комбінація складу та температури, при якій подвійний сплав плавиться та тверднішає при єдиній фіксованій температурі, нижчій від температур плавлення обох чистих компонентів. В евтектиці при охолодженні рідина одночасно перетворюється на дві тверді фази (α+β).
Що таке лінії ліквідус та солідус?
Лінія ліквідус — межа, вище якої сплав повністю рідкий. Лінія солідус — межа, нижче якої сплав повністю твердий. Між ними розташована двофазна (кашоподібна) зона, де рідина та тверда речовина співіснують у рівновазі.
Правило важеля обчислює частку кожної фази у двофазній зоні. Якщо загальний склад x₀, а ліквідус дає x_L і солідус — x_S при даній температурі, то частка рідини = (x₀ - x_S)/(x_L - x_S), а частка твердого = (x_L - x₀)/(x_L - x_S). Правило виводиться з балансу маси.
Доевтектичний сплав (склад лівіше евтектики) при охолодженні спочатку перетинає ліквідус, утворюючи первинні кристали α, поки залишкова рідина збагачується до евтектичного складу. Коли температура досягає евтектичного ізотерму, залишкова рідина тверднішає як евтектична суміш α+β.
Доевтектичний сплав має склад нижче евтектичної точки (більше компонента A) і при охолодженні спочатку виділяє первинну фазу α. Заевтектичний сплав має вищий склад (більше B) і спочатку виділяє β. Обидва врешті утворюють евтектичну мікроструктуру при евтектичній температурі.
Змішування двох компонентів, як правило, знижує вільну енергію Гіббса рідкої фази більше, ніж будь-якої з твердих, знижуючи точку замерзання. Евтектика — це точка, де зустрічаються криві ліквідус від обох чистих компонентів, даючи абсолютний мінімум температури плавлення для будь-якого складу в системі.
Класичні приклади: свинець-олово (Pb-Sn, евтектика при ~61,9 мас.% Sn, 183 °C, для припоїв), срібло-мідь (Ag-Cu, евтектика при 28,1 мас.% Cu, 779 °C) та вісмут-кадмій (Bi-Cd, евтектика при ~40 мас.% Cd, 144 °C). Система Pb-Sn є класичним прикладом у матеріалознавстві.
Повільне (рівноважне) охолодження формує грубі пластинчасті або стрижнеподібні евтектичні мікроструктури. Швидке гартування пригнічує дифузію, утворюючи тонкі або метастабільні структури. Саме тому швидке затвердіння може значно покращити механічні властивості.
Правило фаз Гіббса: F = C − P + 2, де F — ступені свободи, C — компоненти, P — фази. Для подвійного сплаву (C = 2): однофазна зона F = 2; двофазна зона F = 1 (фіксація T визначає склад обох фаз); евтектична точка F = 0 (інваріантна точка).
Фазова діаграма подвійного сплаву відображає рівноважний стан суміші двох металів залежно від температури та складу (масова або молярна частка). Симулятор відтворює класичну евтектичну систему: дві криві (ліквідус і солідус) сходяться в евтектичній точці — єдиному складі, при якому рідка фаза тверднє одночасно у вигляді двох твердих фаз при найнижчій можливій температурі. Система свинець-олово (Pb-Sn) — найвідоміший практичний приклад: евтектика при 63% Sn і 183 °C.
Перетягуйте маркер складу вздовж горизонтальної осі або змінюйте температуру кроком у 5 °C за допомогою кнопок. Правило важеля відображається в реальному часі: відносна кількість кожної фази пропорційна відстані від поточної точки до меж двофазної ділянки. Натисніть «Крива охолодження», щоб переглянути типову криву охолодження для вибраного складу.
Що таке евтектична точка і чому вона важлива для інженерії?
Евтектична точка — єдиний склад сплаву, при якому рідина тверднє при мінімально можливій температурі без проміжної двофазної ділянки. Для системи Pb-Sn це 63% Sn і 183 °C. Евтектичні сплави мають дрібнозернисту мікроструктуру, відмінні механічні властивості та чітку точку плавлення — тому вони широко використовуються як припої в електроніці.
Як застосовувати правило важеля для визначення кількості фаз?
Для точки в двофазній ділянці (температура між ліквідусом і солідусом) правило важеля стверджує: частка рідкої фази = (C₀ − C_s) / (C_l − C_s), а твердої = (C_l − C₀) / (C_l − C_s), де C₀ — загальний склад сплаву, C_l і C_s — склади ліквідусу і солідусу при поточній температурі.
Що стверджує правило фаз Гіббса і як воно застосовується тут?
Правило фаз Гіббса F = C − P + 2, де C — кількість компонентів, P — кількість фаз, F — ступені свободи. Для бінарної системи (C=2) при постійному тиску (−1): F = 3 − P. В однофазній ділянці F=2 (можна змінювати T і склад незалежно). На ліквідусі F=1. В евтектичній точці три фази рівноважні — F=0, тому температура і склади всіх фаз фіксовані.
В ізоморфній системі (наприклад, Cu-Ni) обидва метали мають однакову кристалічну структуру і необмежену взаємну розчинність у твердому стані. Між ліквідусом і солідусом існує лише одна тверда фаза змінного складу. В евтектичній системі (Pb-Sn) розчинність у твердому стані обмежена, тому при охолодженні виникають дві різні тверді фази.
Гіпоевтектичний сплав містить менше легуючого елемента, ніж евтектика (ліворуч від евтектичної точки). При охолодженні він спочатку виділяє первинну тверду фазу α, а залишок рідини досягає евтектичного складу і тверднує евтектично. Гіперевтектичний сплав (праворуч) спочатку виділяє первинну фазу β. Первинна фаза зазвичай крупніша і м'якша, ніж дрібнодисперсна евтектична суміш.
Фазові діаграми описують термодинамічну рівновагу при нескінченно повільному охолодженні. При реальних швидкостях охолодження дифузія не встигає перерозподілити атоми — виникає сегрегація (coring): центр зерна збагачений тугоплавким компонентом, периферія — легкоплавким. Криві ліквідус і солідус ефективно «зсуваються», і сплав може тверднути при нижчих температурах, ніж передбачає рівноважна діаграма.
Pb-Sn зручний через добре вивчену евтектику при 183 °C (63% Sn), широкий діапазон двофазної ділянки, помірні температури (зручно для лабораторних дослідів) і практичне значення як припою. Перехід до без-свинцевих припоїв SAC (Sn-Ag-Cu) з евтектикою при ~217 °C вимагає більш складних трійкових діаграм.
Крива охолодження відображає температуру сплаву з часом при постійному відведенні тепла. Перегини (зменшення нахилу) відповідають виділенню прихованої теплоти при перетині ліквідусу. Плато (горизонтальна ділянка) виникає при евтектичному затвердінні — система залишається при евтектичній температурі, доки вся рідина не затвердіє. Після цього крива знову стає похилою.
Метастабільний стан — це нерівноважна фаза, яка існує тривалий час через повільну кінетику трансформації. Наприклад, в системі Fe-C мартенсит (пересичений твердий розчин вуглецю в залізі) утворюється при швидкому гартуванні і не фігурує на рівноважній діаграмі, але є основою загартованих сталей — найтвердішим та найміцнішим станом вуглецевої сталі.
Проведіть горизонтальну ізотерму (лінію зв'язку) через поточну точку до кривих ліквідусу і солідусу. Точки перетину дають складо рідкої і твердої фаз — а не загальний склад сплаву. Загальний склад C₀ залишається незмінним; змінюються лише пропорції між фазами, що описуються правилом важеля.
Ширина «пасма тверднення» — різниця температур ліквідусу і солідусу при заданому складі — визначає схильність до гарячих тріщин та сегрегації. Широке пасмо (сплави Cu-Sn при деяких складах — 100+ °C) ускладнює лиття: фронт тверднення довго залишається напіврідким. Евтектичні сплави мають нульове пасмо — вони тверднуть майже миттєво, подібно до чистих металів.