Общие сведения. Согласно [1], за более чем 100 лет работы над исследованием диаграмм состояния сплавов из возможных 5356 двойных диаграмм к настоящему времени построено около

Согласно [1], за более чем 100 лет работы над исследованием диаграмм состояния сплавов из возможных 5356 двойных диаграмм к настоящему времени построено около 2000, из них лишь около 1000 более или менее полных и достоверных. В среднем за один год число полных диаграмм состояния равно 10, а начиная с 1950 г. средний годовой темп составляет около 25 и стабилен до настоящего времени. Этот процесс является очень трудоемким и при существующем темпе их полный комплект будет построен примерно к 2200 г. Назрела необходимость, наряду с экспериментальными методами построения диаграмм, перейти к их расчету и прогнозированию. Предложенные к настоящему времени методы расчета диаграмм типа «Thermo-Сalc&Dictra, Computational Tools for materials Science» основываются на термодинамических представлениях [2] и не всегда точны и требуют для построениясведений, которые можно извлечь только из уже построенных диаграмм.

Попытки описать уже построенные диаграммы средствами аналитической геометрии заслуживают серьезного внимания и несомненно перспективны. Известны методы описания диаграмм линейными уравнениями, полиномами с цельночисленными показателями степеней и простыми выражениями с привлечением дробных показателей степеней. Однако их прогностические возможности пока очень ограничены.

Перспективным методом прогнозирования и одновременно обобщения диаграмм состояния является построение метасистем [Гуляев Б.Б. Обобщение диаграмм состояния металлических систем. – В кню Диаграммы состояния металлических систем. М.: Металлургия, 1968. С. 257-267; Гуляев Б.Б., Козлов В.Н. Обобщение двойных диаграмм состояния углерода, кислорода и водорода с металлами. – В кН. Теоретические и экспериментальные исследованиядиаграмм состояния металлических систем. М.: Металлургия, 1969. 45-48]. Под метасистемой (meta – сверх, за пределами) понимаются совокупности диаграмм состояния или их параметров, связанных с положением их компонентов в периодической системе Менделеева.

Наиболее простыми для прогнозирования и построения являются следующие типы метасистем:

1. Метасистемы диаграмм состояния, образованных каким- либо одним элементом со всеми остальными, вписанных в матрицу Периодической системы элементов. Они наглядно демонстрируют, как изменяется характер взаимодействия данного элемента с другими элементами в связи с их положением в периодической системе.

2. Метасистемы диаграмм состояния, образуемые соседними элементами в Периодической системе. Соседство может быть по периоду или по группе, в первом случае получаются горизонтальные, во втором случае вертикальные метасистемы. Такие метасистемы могут служить хорошим средством обобщения и наглядно показывают трансформацию диаграмм состояния при переходе от одного элемента к другому. Кроме того, они являются очень хорошим средством прогнозирования диаграмм по сходству соседних типов.

3. Метасистемы диаграмм состояния, представляющие собой отображение типов классификации на периодическую систему. Различные группы элементов периодической системы имеют преимущественную склонность образовывать с другими элементами диаграммы состояния определенных типов.

4. Метасистемы начальных участков диаграмм состояния какой-либо одной основы сплава, образуемых ею с добавками других элементов Периодической системы.

Для синтеза сплавов на существующем уровне его развития, достаточно знания не всей диаграммы состояния, а только его начального участка. Поэтому последний представляет наибольший интерес. Характер взаимодействия между атомами при небольших количествах добавок на начальных участках диаграмм состояния определяется прежде всего свойствами атомов основы.

На начальных участках диаграмм можно выделить две опорных точки – первая – лиотектика – предельная растворимость, добавки в твердой (низкотемпературной) фазе. Вторая из этих точек будет эвтектической, перитектической или монотектической, т. е. представляет собой предельную растворимость добавки в жидкой (высокотемпературной) фазе в атомных процентах. В случае непрерывного раствора эти две точки сливаются в одну и лежат в точке плавления второго компонента.

Рисунок 7.1-24 Зависимость предельной растворимости в твердом алюминии при температурах эвтектики и перитектик (лиотектические точки) различных элементов от их атомных номеров.

Как показал опыт и практика построения диаграмм состояния, положение каждой из этих точек можно представить в виде периодической функции «номера элемента – добавки» в данной метасистеме. Из-за большой разницы растворимостей элементов друг в друге концентрации компонентов представлены в логарифмической шкале. Нанося по такой системе полученные экспериментальные точки на соответствующие диаграммы, путем интерполяции можно определить недостающие точки для добавок, положения которых еще не определены. Построение диаграмм состояния упрощается сле-дующими обстоятельствами. Во-первых, каждый период имеет на концах четко выраженные минимумы на инертных газах. Во-вторых, имеются хорошо выраженные аналогии в положениях опорных точек между различными периодами.

В качестве примера на рисунках 7.1-24 и 7.2-25 представлены зависимости предельных растворимостей в твердой и жидкой фазе алюминия элементов Периодической системы для начальных участков в зависимости от атомного номера. Построение произведено таким образом, что данные для различных периодов могут сопоставляться друг с другом. Экспериментальные данные взяты из современной справочной литературы. Интерполяция позволяет уверенно определить недостающие данные и построить начальные участки для всей метасистемы.

Эти же данные можно построить в развернутом виде для полной последовательности элементов. Такая диаграмма представляет собой как бы вид сверху на последовательность начальных участков двойных диаграмм метасистемы алюминия. Для элементов, образующих эвтектические диаграммы состояния, предельная растворимость в твердом состоянии ниже, чем в жидком. Для элементов, образующих диаграммы перитектического типа, наоборот, растворимость в жидкой фазе выше, чем в твердой.

Рисунок 7.2-25. Зависимость концентраций предельной растворимости в жидком алюминии (эвтектические и перитектические точки) различных элементов от их атомных номеров.

Для воспроизведения начальных участков диаграмм состояния помимо опорных точек для концентраций необходимо знание положения платформ на температурных шкалах [3-7]. Их значения также подчиняются периодическому закону внутри каждой из метасистем и для них можно производить такие же построения, как для концентраций опорных точек (рисунок 7.3- 26). Трудности возникают при определении положения платформ, мало отличающихся от температуры плавления основы сплава. При обработке большого количества опытных данных выяснилось, что существует близкая к линейной зависимость разности между температурой плавления основы сплава и эвтектической или перитектической платформы растворимости в жидкой фазе. На рисунке 7.4- 27 показана такая зависимость для сплавов алюминия. Эта зависимость действует независимо от вида основы сплава. Она может быть выражена следующим простейшим равенством:

|T₀-T_пр.| = |10C_пр.|,

где Т₀ и Т_пр. – температуры кристаллизации основы сплава и эвтектического или перитектического превращения (в °С); С_пр – концентрация эвтектической или перитектической точки (в ат.%). Это равенство следует применять при растворимости, не превышающей десятых или сотых долей процентов, когда это соотношение позволяет достаточно точно определять порядок величин разностей температур плавления основ сплавов и эвтектических или перитектических платформ, образуемых ими с малорастворимыми элементами. На рисунке 7.5- 28 представлена полная метасистема начальных участков диаграмм состояния алюминия. Цифры, стоящие в скобках, получены путем прогноза (интерполяции).

Рисунок 7.3- 26. Зависимость разности между температурой эвтектических или перитектических превращений и точкой плавления для различных элементов от концентрации эвтектики или перитектики.

Рис. Рисунок 7.4-27. Зависимость изменения температуры эвтектических и перитектических превращений по отношению к температуре плавления основы от их атомных номеров для сплавов алюминия.

Рисунок 7.5- 28. Метасистема начальных участков диаграмм состояния алюминия.

В метасистеме алюминия непрерывных растворов не образуется, а перитектики образуют 11 элементов. Эвтектики и монотектики при этом построении не различаются. Все монотектические точки лежат при очень низких концентрациях. На рисунке 8.5- 28 указывается только разность между ними. Приведенные построения для метасистемы алюминия выполнены на основе современных данных. Впервые такое построение и соответствующие прогнозы были выполнены автором [1] в 1965 г. по имевшимся тогда данным [Молчанов Е.К. Атлас диаграмм состояния титановых сплавовМ.: Металлургия, 1964. С. 15-213]. За истекший с того времени период был опубликован ряд экспериментальных исследований, позволивший проверить правильность прогнозов.

В таблице 7.1 - 21 приведено сопоставление фактических и прогнозированных данных для метасистемы алюминия. Как видно, совпадение удовлетворительное; во всяком случае, точность прогнозов вполне достаточна для целей синтеза сплавов. Интересно отметить, что различие повторных определений величин растворимости элементов различными авторами отличаются от старых определений не меньше, чем результаты прогнозов от экспериментов.

Таблица 7.1-21

Сопоставление прогнозированных и экспериментальных данных параметров метасистемы начальных участков диаграмм состояния алюминия

Прогнозирование строения диаграмм состояния по данной методике возможно не только для растворимости элементов Периодической системы в какой-либо одной системе, но и для одного элемента во всех остальных системах. Таким образом, предложенная методика прогнозирования параметров начальных участков двойных диаграмм состояния сплавов, достаточно хорошо подтверждается имеющимися справочными сведениями. Рассмотренные построения являются в определенной степени дальнейшим расширением Периодической системы элементов Д.И. Менделеева, так как обсуждаются не просто изменения свойств элементов при переходе от номера к номеру, а также изменение условий взаимодействия их между собой.