5.4 Правило отрезков

Правило отрезков позволяет в любой точке двухфазовой области диаграммы состояния определять относительное количество и химический состав обеих фаз. Для этого необходимо через выбранную точку провести горизонтальную линию, соответствующую выбранной температуре. Так через точку b на рассматриваемой диаграмме состояния проходит линия, соответствующая температуре Т₁. Эта линия пересекает линии, ограничивающие двухфазную область диаграммы состояния, в точках а и с. В данном случае отношение отрезка bс к ас будет равно доле жидкой фазы, а отношение отрезка аb к ас - доле твёрдой фазы. Как видно из диаграммы, с уменьшением температуры от точки 1 до точки 2, отрезок bс сокращается. Это соответствует уменьшению относительного количества жидкой фазы. Отрезок аb, напротив, увеличивается, что соответствует увеличению доли твёрдой фазы.

Химический состав жидкой фазы определяется проекцией точки а на ось (шкалу) концентраций, а состав твёрдой фазы - проекцией точки с на эту же ось. Как видно из диаграммы в начальный момент кристаллизации, т.е. в точке 1, состав жидкой фазы близок к К₁, а состав твёрдой фазы определяется проекцией точки s. В конечный момент кристаллизации, т.е. в точке 2, состав жидкой фазы определяется проекцией точки f, а состав твёрдой фазы стремится к К₁. Таким образом, в процессе кристаллизации состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус (участок 1-f), а твёрдой фазы - по линии солидус (участок s-2). Общее же содержание компонентов в сплаве при любой температуре остается неизменным и равным К₁, просто в процессе кристаллизации происходит перераспределение компонентов между жидкой и твёрдой фазами.

В начальный момент затвердевания выпадают кристаллы богатые более тугоплавким компонентом В. По мере уменьшения температуры, доля этих кристаллов нарастает, а концентрация тугоплавкого компонента в них уменьшается. Жидкость, при этом, обогащается более легкоплавким компонентом А. Изменение химического состава твёрдой фазы, в процессе кристаллизации, происходит за счёт того, что более легкоплавкий компонент А из жидкой фазы поступает в твёрдую фазу и растворяется в ней. Если кристаллизация идёт достаточно быстро, то процесс диффузионного перераспределения компонентов не успевает завершиться и тогда наблюдается неоднородность зёрен по химическому составу. Центр зёрен оказывается обогащенным более тугоплавким компонентом В, а границы зёрен - более легкоплавким компонентом А. Неоднородность зёрен по химическому составу называют микроликвацией.

Если процесс кристаллизации идёт достаточно медленно, то есть если этот процесс является равновесным, то зёрна успевают выровняться по химическому составу. В таком случае формируется однородный сплав, каждая точка которого имеет одинаковый химический состав, равный К₁.

5.5 Диаграмма состояния для сплавов, образующих механические

смеси из чистых компонентов

Рассмотрим сплавы, компоненты которых в жидком состоянии неограниченно растворимы друг в друге, а в твёрдом состоянии не растворяются друг в друге и не образуют химических соединений. (Например, сплав Pb-Sb и т.п.). Диаграмма состояния для таких сплавов выглядит следующим образом:

Здесь линией ликвидус является линия АСВ. Выше этой линии сплав любого состава находится в жидком, однофазном состоянии. Линия DСЕ является линией солидус. Ниже этой линии любой сплав находится только в твёрдом состоянии.

Рассмотрим процесс кристаллизации трёх сплавов различного состава.

Согласно диаграмме состояния, сплав I выше точки С находится в жидком, однофазном состоянии. В точке С начинается процесс его затвердевания. При этом из жидкой фазы выпадают одновременно кристаллы чистых компонентов А и В. Этот процесс идет при постоянной температуре до полного затвердевания сплава и завершается образованием механической смеси чистых компонентов А и В.

В общем случае механическую смесь двух или более твёрдых фаз, образующуюся из жидкой фазы, называют эвтектикой. Соответствующее превращение называют эвтектическим.

В рассматриваемом случае эвтектика представляет собой механическую смесь двух чистых компонентов А и В, а эвтектическое превращение идёт по схеме:

Ж_С  А + В = Э. (1)

(Здесь и далее нижний индекс будет обозначать химический состав фазы. В данном случае он означает, что жидкость имеет состав точки С.).

Таким образом, кристаллизация сплава I завершается в точке С образованием эвтектики. Ниже точки С, и вплоть до комнатной температуры, микроструктура сплава I не меняется и представляет собой эвтектику, то есть механическую смесь кристаллов чистых компонентов А и В. Сплав типа I называют эвтектическим.

Кривая охлаждения для этого сплава выглядит следующим образом:

Г

Э

С

Ж

Ж  Э

оризонтальный участок на этой кривой соответствует эвтектическому превращению, которое происходит при постоянной температуре. Температура сплава здесь не меняется по причине того, что происходит выделение скры-

той теплоты кристаллизации, которая компенсирует отвод тепла от сплава. После завершения процесса кристаллизации скорость остывания сплава становится прежней.

Сплав II относят к доэвтектическим сплавам. Он начинает кристаллизоваться в точке 1. При этой температуре в жидком расплаве появляются зародыши кристаллов чистого компонента А. По мере уменьшения температуры от точки 1 до точки 2, доля этих кристаллов нарастает, а относительное количество жидкой фазы уменьшается. Долю жидкой и твердой фаз, в рассматриваемом интервале температур, можно определить с помощью правила отрезков. Так в точке b отношение отрезка bс к ас будет равно доле твердой фазы, а отношение аb к aс - доле жидкой фазы. Химический состав жидкой фазы определяется проекцией точки с на ось концентраций. Как видно из диаграммы состояния в процессе кристаллизации состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус (участок 1-С), т.е. жидкая фаза обогащается компонентом В, по причине выпадения из неё кристаллов компонента А. В точке 2 сплав будет состоять из некоторого количества кристаллов компонента А и не успевшей закристаллизоваться жидкости состава точки С. При указанной температуре эта жидкость кристаллизуется с образованием эвтектики по схеме (1). После завершения эвтектического превращения и вплоть до комнатной температуры сплав II будет состоять из кристаллов чистого компонента А и эвтектики. Чем дальше химический состав этого сплава от эвтектического, тем больше в его структуре кристаллов чистого компонента А и меньше эвтектики, и наоборот.

Кривая охлаждения для сплава II выглядит следующим образом:

Ж

1

Ж+А

2

2

А+Э

Сплав III начинает кристаллизоваться в точке 3 с выпадения из жидкого расплава кристаллов чистого компонента В. По мере уменьшения температуры, доля этих кристаллов нарастает, а количество жидкой фазы сокращается. При этом жидкость обедняется компонентом В по линии 1-С. В точке 4 оставшаяся жидкость будет иметь состав точки С, и кристаллизуется с образованием эвтектики по схеме (1). Таким образом, сплав III ниже точки 4 состоит из кристаллов компонента В и эвтектики. Сплав III относят к заэвтектическим сплавам. Чем дальше его состав от эвтектического, тем больше в его структуре кристаллов компонента В и меньше эвтектики, и наоборот. Кривая охлаждения для этого сплава напоминает кривую охлаждения для сплава II, с той лишь разницей, что вместо кристаллов А здесь сначала выпадают кристаллы В.

Как видно из рассматриваемой диаграммы состояния кристаллизация сплавов любого состава завершается на линии DСЕ образованием эвтектики по схеме (1). Эту линию называют линией эвтектического превращения. Для данной диаграммы состояния она совпадает с линией солидус.