Фазовые превращения в сплавах

Фазовые превращения в сплавах представляют собой процессы изменения структуры и состава при изменении температуры, давления или химического состава. Эти превращения определяют механические, электрические, магнитные и другие свойства материалов. В сплавах различают следующие основные типы фазовых превращений: диффузионные, дисперсионные, мартенситные, а также эвтектические и эвтектоидные превращения.

Диффузионные фазовые превращения

Диффузионные превращения сопровождаются перераспределением атомов в кристаллической решетке. Они требуют значительного времени, так как скорость процесса определяется коэффициентом диффузии. Классическим примером является образование промежуточных фаз в твердых растворах:

Твердые растворы замещения: атомы одного металла замещают атомы другого в кристаллической решетке. При охлаждении возможно разупорядочивание, что приводит к возникновению новой фазовой структуры.
Твердые растворы внедрения: междоузлия решетки занимают атомы меньших размеров. Диффузионные процессы могут приводить к их перераспределению и выделению новых фаз.

Диффузионные процессы также лежат в основе старения сплавов, при котором мелкие частицы новой фазы выделяются в матрице, улучшая механические свойства. Пример — сплавы типа Al-Cu, где выделение фаз θ′ и θ усиливает прочность.

Мартенситные превращения

Мартенситные превращения не сопровождаются диффузией и происходят с изменением кристаллической структуры путем сдвига атомных плоскостей. Они характерны для систем с высокой твердостью, таких как сталь и некоторые титановые сплавы. Основные особенности мартенситных превращений:

Происходят почти мгновенно при достижении критической температуры.
Структура нового фазового состояния имеет искаженные решетки, что приводит к возникновению внутреннего напряжения.
Мартенситная структура обеспечивает высокую прочность и твердость, но снижает пластичность.

Типичный пример — превращение аустенита в мартенсит в углеродистых сталях при быстром охлаждении (закалке).

Эвтектические и эвтектоидные превращения

Эвтектические превращения происходят при охлаждении жидкого сплава до температуры, при которой он разделяется на две твердые фазы. Ключевые моменты:

Температура эвтектики определяется составом сплава.
Структура, образующаяся при эвтектическом превращении, часто имеет слоистый или игольчатый характер.
Эвтектический сплав обладает улучшенной обрабатываемостью и равномерной твердостью.

Эвтектоидные превращения аналогичны, но происходят между двумя твердыми фазами. Пример — превращение аустенита в феррит и цементит в стали при температуре около 727 °C.

Дисперсионные превращения

Дисперсионные или осажденческие превращения характеризуются выделением мелких частиц новой фазы в матрице. Они протекают диффузионным путем, но структурные изменения ограничены малым объемом, что позволяет создавать материалы с высокой прочностью без значительного ухудшения пластичности. Примеры:

Укрепление алюминиевых и медных сплавов методом старения.
Выделение фаз типа Ni3Al в жаропрочных никелевых сплавах.

Влияние фазовых превращений на свойства сплавов

Фазовые превращения существенно влияют на физические и механические характеристики материалов:

Прочность и твердость: мартенситные и дисперсионные превращения повышают сопротивление деформации.
Пластичность и ударная вязкость: диффузионные процессы, создавая крупнозернистую структуру, повышают пластичность.
Коррозионная стойкость: равномерное распределение фаз снижает локальные напряжения и вероятность коррозии.
Электропроводность и магнитные свойства: структура фаз влияет на движение электронов и распределение магнитных доменов.

Контроль фазовых превращений позволяет создавать сплавы с целевыми свойствами, обеспечивая оптимальный баланс между твердостью, прочностью и пластичностью.

Диаграммы состояния и фазовые равновесия

Изучение фазовых превращений невозможно без анализа диаграмм состояния:

Диаграмма состояния бинарного сплава показывает области существования жидкой, твердой и смешанной фаз.
Кривые жидкость–фаза и фаза–фаза определяют температуры начала и конца превращений.
Точки эвтектики, эвтектоида и перитектики указывают на составы, при которых происходит одновременное образование нескольких фаз.

Диаграммы состояния служат инструментом прогнозирования структуры и свойств сплавов после термической обработки.