Диаграмма состояния сплава

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния фаз, образующихся в результате взаимодействия компонентов сплава в условиях термодинамического равновесия при различных температурах. Фазы характеризуются в зависимости от температуры и состава определенными агрегатными состояниями, строением и свойствами.

Жидкая фаза представляет собой раствор расплавленных компонентов.

Твердые фазы представляют собой зерна, имеющие определенную форму, размер, состав, строение и свойства. Твердые фазы можно наблюдать в микроскоп. Это могут быть твердые растворы, химические соединения, а также зерна чистых компонентов, не образующих с другими компонентами ни твердых растворов, ни химических соединений.

На диаграмме состояния имеются участки (области), которые определяют только одну фазу, или две с разным составом, строением и свойствами.

Диаграмма состояния сплава с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (например, сплав меди и никеля) представлена на рис. 2.13. Допустим, жидкие сплавы металлов А и В разной концентрации подвергаются охлаждению. У каждого металла соответственно свои температуры начала и конца кристаллизации (см. разд. 1.2.5), а у сплава другие значения температур начала и конца кристаллизации (рис. 2.13, а), причем эти значения зависят от соотношения компонентов А и В. Если получить серию кривых охлаждения сплавов с различными соотношениями А и В, то по критическим точкам (см. рис. 2.13, точки а и Ь) можно построить линии Аа'В (начала) и АЬ'В (конца) кристаллизации (рис. 2.13, б). Линия Аа'В, соединяющая точки начала кристаллизации, называется линией ликвидуса (жидкий), а линия АЬ'В, соединяющая точки конца кристаллизации, — линией солидуса (твердый). Выше линии Аа'В сплав состоит из однородного жидкого раствора, между линиями Аа'В и АЬ'В — из кристаллов твердого раствора и жидкой фазы, а ниже линии АЬ'В — из однородного твердого раствора.

Кристаллы твердого раствора (область между точками а и Ь) имеют переменный состав. При медленном охлаждении диффузии в жидкой и твердой фазах, а также диффузия между ними успевают за процессом кристаллизации, поэтому состав кристаллов твердого раствора выравнивается.

Однако в реальных условиях при охлаждении диффузия не успевает за кристаллизацией, поэтому состав разных кристаллов и состав внутри каждого кристалла неодинаков. Неоднородность

Рис. 2.13. Диаграмма состояния сплава при неограниченной растворимости

компонентов

состава сплава внутри отдельных кристаллов, называют внутри-кристаллической или дендритной ликвацией. Дендритная ликвация может быть уменьшена диффузионным отжигом — продолжительным нагревом твердого сплава при температурах, обеспечивающих достаточную скорость диффузии.

Диаграмма состояния сплава с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Примером такой диаграммы состояния (с некоторым приближением, так как фактически эти металлы имеют ограниченную растворимость) может служить диаграмма состояния сплава свинец—сурьма (рис. 2.14). Оба компонента неограниченно растворимы в жидком состоянии, но не растворимы в твердом состоянии и не образуют химических соединений.

При температуре выше линии ликвидуса АВС сплавы находятся в жидком состоянии. При температуре 243 °С, соответствующей горизонтальным линиям на кривых охлаждения, происходит кристаллизация одновременно свинца и сурьмы. Ниже этой температуры (линия ОБЕ) сплавы находятся в твердом состоянии.

Одновременная кристаллизация свинца и сурьмы протекает при постоянной температуре, так как при этой температуре одновременно существуют три фазы: жидкий раствор, кристаллы свинца и кристаллы сурьмы.

Сплав, концентрация компонентов в котором составляет 13 % 8Ь и 87 % РЬ, кристаллизуется при температуре 243 °С, при этом из жидкости одновременно выделяются кристаллы свинца и кристаллы сурьмы, образуя тонкую механическую смесь. Сплав

т РЬ 5 Э 40 БЬ

100 % 100 %

Рис. 2.14. Диаграмма состояния сплава при ограниченной растворимости

компонентов

такого состава называют эвтектическим, а получающаяся механическая смесь из одновременно закристаллизовавшихся элементов — эвтектикой. Эвтектический сплав (греч. — легко плавящийся) имеет самую низкую температуру затвердевания и кристаллизуется при постоянной температуре. Сплавы, содержащие менее 13 % 5Ь, называют доэвтектическими, а более 13 % — заэв-тектическими.

Доэвтектический сплав, содержащий 5 % БЬ, выше первой критической точки я, находится в жидком состоянии. При охлаждении в точке я, из жидкого раствора выпадают центры кристаллизации чистого свинца, так как свинец в этом сплаве находится в избыточном количестве по сравнению с эвтектическим составом. При дальнейшем охлаждении (область между точками я, и Ь) продолжается рост имеющихся и выпадение новых кристаллов свинца, поэтому количество свинца в жидком (маточном) растворе постепенно уменьшается, и в области точки Ь_х маточный раствор имеет эвтектический состав. При температуре 243 °С (вторая критическая точка Ь_х) происходит кристаллизация всего оставшегося маточного раствора. Ниже точки Ь_х сплав находится в твердом состоянии и представляет смесь кристаллов избыточного свинца и эвтектики (рис. 2.15, б).

Аналогично протекает кристаллизация заэвтектических сплавов. Сплав с массовым содержанием 40 % 8Ь выше первой критической точки я₂ находится в жидком состоянии. При охлаждении в момент, соответствующий точке я₂, из жидкого раствора выпадают центры кристаллизации сурьмы. При дальнейшем ох-

5Ь РЬ Эвт РЬ

а

Рис. 2.15. Различные микроструктуры сплавов: а — эвтектический сплав свинец-сурьма; б — смесь кристаллов избыточного свинца и эвтектики; в — смесь

кристаллов сурьмы и эвтектики

лаждении (точки а₂ и Ь₂) продолжается рост имеющихся кристаллов сурьмы и выпадение новых, поэтому количество сурьмы в маточном растворе постепенно уменьшается и в области точки Ь₂ маточный раствор имеет эвтектический состав. При температуре 243 °С (вторая критическая точка Ь₂) происходит кристаллизация всего оставшегося маточного раствора эвтектического состава. Ниже точки Ь₂ сплав находится в твердом состоянии и содержит смесь кристаллов сурьмы и эвтектики (рис. 2.15, в).

Таким образом, можно отметить следующее:

• 1) линия АВ диаграммы состояния (см. рис. 2.14) — начинается выделение кристаллов свинца;
• 2) область АВО — находятся кристаллы свинца и жидкий раствор, массовое содержание которого около линии ВО приближается к эвтектическому;
• 3) линия ВО — затвердевает весь оставшийся маточный раствор эвтектического состава;
• 4) ниже линии ВО — находятся твердые доэвтектические сплавы, состоящие из кристаллов свинца и эвтектики;
• 5) линия ВС — начинается выделение кристаллов сурьмы;
• 6) область СВЕ — находятся кристаллы сурьмы и жидкий раствор, содержание которого около линии ВЕ приближается к эвтектическому;
• 7) линия ВЕ — затвердевает весь оставшийся маточный раствор эвтектического состава;
• 8) ниже линии ВЕ — находятся твердые заэвтектические сплавы, состоящие из кристаллов сурьмы и эвтектики.

При нагревании сплавов вначале по линии солидуса расплавляется эвтектика, в которой при дальнейшем нагревании постепенно растворяются кристаллы свинца (у доэвтектических сплавов) или сурьмы (у заэвтектических сплавов); растворение заканчивается по линии ликвидуса, выше которой находятся жидкие растворы системы сплавов.