Диаграмма состояния сплавов, образующих ограниченные твердые растворы и эвтектику

Диаграмма состояния этого типа характерна для сплавов, состоящих из компонентов с неограниченной растворимостью в жидком состоянии и ограниченной растворимостью в твердом. В диаграммах состояния, представленных в § 4.4,4.5, рассматривались крайние случаи, когда компоненты в твердом состоянии совсем не растворяются или растворяются в любых пропорциях, т.е. неограниченно. Однако значительно более распространены металлические сплавы с ограниченной растворимостью компонентов, когда один компонент растворяется в другом, но не в любых количествах, а только до некоторого предела. Если количество растворяемого компонента больше предела растворимости при данной температуре, то часть его, превышающая растворимость, не войдет в раствор и образуется механическая смесь кристаллов насыщенного твердого раствора и кристаллов избыточного компонента, т.е. в сплаве будут находиться две фазы. Растворимость одного компонента в другом зависит от температуры. Чаще всего с повышением температуры растворимость увеличивается, но возможны случаи уменьшения растворимости с повышением температуры. При нагреве двухфазного сплава до температуры плавления появится третья фаза — жидкий сплав. Известно, что в двухкомпонентной системе три фазы могут сосуществовать, т.е. находиться в равновесии, только при постоянной температуре. Следовательно, на диаграмме состояния данного типа должна быть линия, параллельная оси состава, которая отражает появление жидкой фазы в сплавах, имеющих концентрацию выше предельной.

Диаграмма состояния сплавов для случая ограниченной растворимости компонента В в компоненте Л и отсутствия растворимости Л в i? представлена на рис. 4.11. На этой диаграмме KCD — линия ликвидуса, KECF — линия солидуса, которая включает в себя горизонтальный участок ECF — линию эвтектики. Концентрация, отвечающая точке Е, характеризует предельную (наибольшую) растворимость ВвЛ при эвтектической температуре /_э. Концентрация, отвечающая точке S, соответствует предельной растворимости компонента В в А при нормальной комнатной температуре. Линия SE — это изменение растворимости компонента В в Л в твердом состоянии при изменении температуры. Она показывает, что с повышением температуры растворимость В в А увеличивается. Действительно, при температурах /₀, t_b t₂, /_э в твердый раствор входят соответственно S, S_l9 S₂, и Е% компонента В.

Рис. 4.11. Диаграмма состояния сплавов, образующих ограниченные твердые растворы компонента В в компоненте Л и эвтектику

Следовательно, в сплавах левее линии SE будут ненасыщенные кристаллы А(В) (напомним, что растворимый компонент пишется в скобках за компонентом растворителя); на самой линии SEнасыщенные кристаллы А{В) правее линии SE в сплавах присутствуют насыщенные кристаллы А(В) и избыточный компонент, в данном случае В. Линия ECF— эвтектическая линия, на которой жидкий сплав состава точки Скристаллизуется, образуя эвтектику, состоящую из А(В) и В. Правее точки ^диаграмма напоминает диаграмму сплавов, в которых образуется механическая смесь; левее точки Е — диаграмму сплавов, в которых образуется твердый раствор, так как правее точки Е образуется механическая смесь твердого раствора А{В) и кристаллов В. Левее точки Е непосредственно после затвердевания образуется только твердый раствор. Рассмотрим процесс кристаллизации некоторых сплавов этой системы, кривые охлаждения которых приведены на рис. 4.12.

Р и с. 4.12. Диаграмма состояния и кривые охлаждения сплавов с ограниченной растворимостью компонента В в компоненте Л

Сплав I—I кристаллизуется так же, как сплавы — твердые неограниченные растворы. При температуре, соответствующей точке 1 (ликвидус), образуются кристаллы твердого раствора Л(В). От температуры 1 до 2 идет кристаллизация с образованием кристаллов твердого раствора Л(В); при температуре 2 (солидус) сплав полностью затвердевает и в равновесных условиях состоит только из однородных зерен твердого раствора А(В). От температуры 2 до полного охлаждения в сплаве не происходит никаких структурных изменений. Любой сплав, имеющий концентрацию, не превышающую предельную растворимость при комнатной температуре (точка S), при охлаждении из расплавленного состояния претерпевает те же превращения, что и сплав I—I.

Сплав И—II кристаллизуется несколько по-иному. Кристаллизация начинается при температуре, соответствующей точке 7, когда из жидкого сплава выделяются кристаллы А(В); процесс заканчивается при температуре 2. В интервале температур от точки 2 до точки 3 сплав состоит из однородных кристаллов твердого раствора А{В). При температуре 3 в сплаве начинается вторичная кристаллизация, т.е. образование новых зерен в твердом состоянии. Вследствие того что растворимость В в А меняется по линии ES ниже точки 3, в твердом растворе А(В) не может раствориться столько компонента В, сколько его содержится в сплаве. Эта избыточная часть компонента В будет выделяться из твердого раствора в виде вторичных кристаллов, которые обычно обозначают соответствующим индексом, в данном случае В_п. Выделение вторичных кристаллов происходит до полного охлаждения сплава, в результате чего состав твердого раствора соответствует точке S. Вторичные кристаллы, выделяясь из твердого раствора, располагаются по границам или внутри самого зерна и по размерам очень сильно отличаются от других кристаллов. Выделяясь при понижении температуры в твердом состоянии сплава, когда диффузия атомов затрудняется, вторичные кристаллы приобретают форму очень мелких пластинок, размер которых в сотни раз меньше, чем кристаллов, выделившихся из жидкости при первичной кристаллизации. Вторичная кристаллизация с выделением кристаллов избыточного компонента происходит во всех сплавах состава от точки ^до В. Чем ближе состав сплава к точке Е, тем больше в нем может выделиться вторичных кристаллов; максимальное количество вторичных кристаллов выделится в сплаве, состав которого соответствует точке Е.

Выделение вторичных кристаллов имеет большое значение при термической обработке, проводимой с целью упрочнения сплавов. Процесс выделения вторичных кристаллов является диффузионным и требует определенного времени. Полное выделение вторичных кристаллов возможно только при небольших скоростях охлаждения. При большей скорости охлаждения вторичные кристаллы могут не успеть выделиться. Тогда образуется пересыщенный твердый раствор, т.е. при быстром охлаждении вместо двухфазного может быть получен однофазный сплав. Следовательно, регулируя скорость охлаждения сплава в твердом состоянии, можно сформировать различную структуру и соответственно различные свойства. Этим широко пользуются при термической обработке.

Сплав III—III - доэвтектический (см. рис. 4.12). При температуре 1 начинается кристаллизация, в результате которой выделяются кристаллы А{В), состав которых меняется по линии КЕ. При эвтектической температуре 2 выделившиеся между температурами 1 и 2 кристаллы А{В) имеют состав, отвечающий точке Е, а жидкая часть сплава, изменяясь по линии КС, примет состав, отвечающий точке С, — эвтектический. Кристаллизуясь, жидкий сплав эвтектического состава образует эвтектику, состоящую из кристаллов А{В) состава точки Е и кристаллов В. Кристаллизация эвтектики происходит при постоянной температуре — остановка на кривой охлаждения (рис. 4.12, точки 2—2').

Введем следующее обозначение. Буква или цифра в виде нижнего индекса фазы или структурной составляющей показывает состав (точку на диаграмме), который имеет данная фаза или структурная составляющая. Так, запись А(В)_Е означает: кристаллы твердого раствора компонента В в А; состав кристаллов соответствует точке Е на диаграмме. Запись эвт_с[А(В)_е+ В] означает: эвтектика состава точки С, состоящая из кристаллов твердого раствора В в А состава точки Е и кристаллов В.

В сплаве III—III вторичные кристаллы будут выделяться как из избыточных кристаллов Л{В)_Е, которые образовались между точками 1 и 2, так и из кристаллов А(В)Е, входящих в состав эвтектики. Следовательно, структуру доэвтектического сплава III—III после затвердевания в точке 2 можно представить так: А(В)_е+ эвт [А(В)_е+ В]. После полного охлаждения структура будет следующей: А(В)_Е+В_и + эвт [A{B)_S+ В_и +В. Однако мелкие кристаллики В_и внутри эвтектики объединяются («сливаются») с кристаллами В в однородные зерна В, поэтому: эвт_с[ДТ?)₅ + В].

Чтобы отличить кристаллы твердого раствора А(В)_s, входящие в состав эвтектики, от тех, которые образовались непосредственно из жидкости (в результате первичной кристаллизации), введем дополнительное обозначение римской цифрой I и запишем окончательную структуру доэвтектического сплава III—III после его полного охлаждения до комнатной температуры: A(B)_ls + В_и + эвт_с[Л(Т?)₅+ В].

Сплав IV-IV — заэвтектический. При температуре, соответствующей точке 7, начинается выделение первичных кристаллов В_х они растут в жидкой среде при относительно (по сравнению со вторичными кристаллами) малом сопротивлении внешней среды и больших скоростях роста и поэтому вырастают крупными. При выделении из жидкого сплава кристаллов В оставшийся жидкий сплав обогащается компонентом А. По достижении температуры, отвечающей точке 2, концентрация жидкого сплава будет соответствовать эвтектической. Сплав затвердевает, образуя эвтектику, состоящую из А{В)_Е и В. От точки 2 до полного охлаждения из кристаллов А(В)_Е, находящихся в эвтектике, будут выделяться вторичные кристаллы, которые присоединятся к кристаллам В внутри эвтектики, поэтому структура заэвтектического сплава после затвердевания будет В_х + эът_с[А{В)_е+ В], а после полного охлаждения В_х + + эвт_с [А(В)_s + В]. Вторичные кристаллы сосуществуют только с первичными кристаллами твердого раствора. При дальнейшем повышении концентрации сплава в случае образования эвтектики и тем более в заэвтектических сплавах, в которых имеются первичные кристаллы компонента В, вторичных кристаллов меньше. В сплавах рассмотренной диаграммы В растворяется в А, давая А(В), но А в В не растворяется. Такая растворимость называется односторонней. Кроме того, в рассмотренном случае с понижением температуры растворимость уменьшается. Однако иногда растворимость при охлаждении или увеличивается и линия ES идет вправо от точки Е, или остается неизменной (постоянной) и линия ES представляет собой перпендикуляр к оси состава. Если оба компонента ограниченно растворяются один в другом, то такая растворимость называется двусторонней и линии переменной растворимости имеются с обеих сторон.