» » Равновесное состояние (строение материалов)
22.01.2015

Вообще под строением материи понимается ее состояние и форма ее проявления. Величинами, влияющими на состояние являются переменные величины состояния, т.е. давление р, температура Т, и у материалов, состоящих из нескольких компонентов, их количественные соотношения, т.е. состав. В зависимости от этих переменных состояния материя существует в газообразном, жидком или твердом агрегатном состояниях (рис. 9.1). Часто агрегатное состояние называется также фазой, например жидкая фаза или твердая фаза. Состояния, или фазы, характеризуются параметрами и функциями состояния, испытывающими влияние переменных величин состояния, к каким относятся, например, молекулярный (молярный) объем и плотность.
Отношение между молярным объемом V, давлением р и температурой T называется уравнением состояния:
Равновесное состояние (строение материалов)

пример — закон идеального газа: pV = RT.
Представление уравнения состояния вещества в трехмерном пространстве р—V—T создает диаграмму, так называемую диаграмму состояния этого вещества м. рис. 9.1).
В области твердого состояния материал может также существовать в различных формах, характеризующихся соответствующими параметрами состояния. Так, строение твердых тел может быть аморфным или кристаллическим. Кристаллические твердые тела, например металлы, могут находиться в зависимости от выбранных переменных состояний в различных кристаллических структурах, например в о.ц.к., г.ц.к. или г.п.у. и др. Вид кристалла, в котором существует металл, также называется фазой.
Сплав, который существует в единственном агрегатном состоянии, а именно в твердом, поэтому вполне может состоять из нескольких твердых фаз, которые устойчивы при определенной температуре и составе (ср. рис. 9.4.1). Несколько твердых фаз в одном сплаве могут отличаться видом кристалла и/или составом. Зоны с соответственно одинаковыми физическими и химическими свойствами считаются одной фазой. Фазы, из которых состоит металлический сплав при заданной температуре и составе, можно получить из диаграмм состояния.
Равновесное состояние (строение материалов)

Диаграммы состояния указывают общий вид, отдельные области существования и состав структурных составляющих сплава в зависимости от температуры и соотношения компонентов друг к другу. Кроме того, можно получить также сведения о расположении и форме структурных составляющих. Это вытекает как раз из диаграмм состояния, поскольку можно увидеть, какие кристаллиты образуются из расплава сначала (первичная кристаллизация) и как в ходе дальнейшего охлаждения затвердевает остаточный расплав. Аналогично из диаграмм состояния систем можно получить сведения о процессах при превращениях в твердом состоянии, т.е. при перекристаллизации. Кроме того, диаграммы состояния содержат информацию о различных видах дефектов в строении решетки.
Равновесные диаграммы состояния служат ценным вспомогательным средством для создания картины структуры материала по виду и форме в зависимости от температуры и состава. Так, диаграмма сплава железо—углерод показывает, какие части феррита и цементита или перлита содержатся в стали с содержанием, например, 0,15; 0,45; 0,8 и 1,7 % С (ср. рис. 9.4.1). Также в области чугуна (>2 % С) из диаграммы состояния можно получить сведения о структуре. Далее диаграмма состояния содержит информацию о зависимости структуры от температуры и о режиме плавления и затвердевания.
Таким образом, диаграммы состояния являются важнейшей основой для термообработки, в частности вблизи равновесного состояния, а также дают сведения о поведении материалов при высоких рабочих температурах. Точно так же из диаграммы состояния вытекает, как ведут себя материалы при обработке в расплавленном состоянии, т.е. при литье, сварке, пайке и при горячей штамповке в твердом состоянии.
Так, диаграмма состояния Al-Si показывает, что точка плавления Al (660 °C) снижается при содержании 11,7 % Si до 577 °C (эвтектическая точка). Структура состоит тогда из двух видов смеси кристаллов переменного состава, из смешанных кристаллов а, содержащих Al, и смешанных кристаллов 13, содержащих Si.
Припой Pb-Sn с приблизительно 60 % Sn и 40 % Pb имеет точку плавления 183 °C по сравнению с точкой плавления 327 °C для Pb и 232 °C для Sn. Если припой из такою сплава легировать третьей компонентой (висмутом) с точкой плавления 271 °C, то диаграмма состояния такого тройного сплава с содержанием 15,5 % Sn, 33 % Pb и 51,5 % Bi показывает точку плавления только 95 °C.
Такие легкоплавкие сплавы могут быть важными при пайке термически чувствительных конструкционных деталей в электронике. Правда, естественно, такие сплавы обнаруживают также соответственно более низкую термостойкость. С помощью диаграмм состояния можно выбрать состав сплавов припоя, которые представляют подходящие компромиссы между низкой температурой обработки и термостойкостью.
На примере хромистой стали, т.е. сплава Fe—Сr, можно представить, как диаграмма состояния может дать сведения о поведении материала при высоких температурах обработки или при рабочей температуре. Ниже температуры 830 °C и выше 440 °C в хромистых сталях в зависимости от содержания Cr может образоваться так называемая σ-фаза. Обусловленная этим хрупкость материала известна также как 475 °С-охрупчивание. После уяснения такой диаграммы состояния становится очевидным кажущийся парадоксальный факт, что жаропрочные стали при длительном применении их в области низких рабочих температур могут отказывать вследствие охрупчивания, в то время как их без ущерба можно использовать при высоких рабочих температурах. Само собой разумеется, что такое охрупчивание согласно диаграмме появляется также при неподходящей термообработке.