5.6 Диаграммы состояния для сплавов с ограниченной
растворимостью компонентов в твёрдом состоянии.
Рассмотрим сплавы, компоненты которых в жидком состоянии неограниченно растворимы друг в друге, а в твёрдом состоянии растворяются друг в друге ограниченно, образуя ограниченные твёрдые растворы = А(В) и = В(А). Для таких сплавов возможны два типа диаграмм состояния: диаграмма с эвтектикой и диаграмма с перитектикой.
Диаграмма с эвтектикой выглядит следующим образом:
Здесь буквой - обозначен твёрдый раствор компонента В в А ( = А(В)), а буквой - твёрдый раствор компонента А в В ( = В(А)). Линия АСВ является линией ликвидус, АDСЕВ - линией солидус, DСЕ - линией эвтектического превращения. Линия DF показывает изменение с температурой предельной растворимости компонента В в -фазе. Как видно из диаграммы растворимость компонента В в -фазе с понижением температуры уменьшается. Линия ЕG является вертикальной прямой. Это говорит о том, что растворимость компонента А в -фазе с изменением температуры не меняется.
Рассмотрим кристаллизацию нескольких сплавов. Сплав I начинает кристаллизоваться в точке 1 с выпадения из жидкого раствора кристаллов твёрдой -фазы. По мере уменьшения температуры от точки 1 до точки 2 доля этих кристаллов нарастает, а количество жидкой фазы сокращается. В точке 2 процесс кристаллизации завершается полным превращением жидкости в кристаллы твёрдой -фазы. В интервале температур от точки 2 до точки 3 происходит остывание этой твёрдой фазы. В точке 3 концентрация компонента В в -фазе достигает своего предельного значения. Ниже точки 3 твёрдый раствор оказывается перенасыщенным компонентом В, и этот избыточный компонент выпадает из -фазы, образуя -фазу. Такую -фазу, в отличие от первичной, выпадающей из жидкости, называют вторичной и обозначают II. Таким образом, сплав I ниже точки 3 и вплоть до комнатной температуры состоит из зёрен твёрдой -фазы с вкраплениями кристалликов II-фазы.
Кристаллизация сплава II начинается в точке 4 также с выпадения из жидкого расплава кристаллов твёрдой -фазы. По мере уменьшения температуры от точки 4 до точки 5 доля этих кристаллов нарастает, а количество жидкой фазы сокращается. Причём химический состав твёрдой фазы изменяется по линии солидус, а жидкой фазы – по линии ликвидус (участок 4-С). То есть и жидкость и -фаза обогащаются компонентом В. В точке 5 сплав будет состоять из некоторого количества кристаллов твёрдой -фазы, состава точки D, и какого-то количества жидкости, состава точки С. При указанной температуре эта оставшаяся жидкость кристаллизуется с образованием эвтектики, которая в данном случае представляет собой механическую смесь кристаллов - и -фаз. Эвтектическая реакция идет по следующей схеме:
ЖС D + Е = Э (2)
После завершения эвтектического превращения сплав будет состоять из кристаллов -фазы и эвтектики. При дальнейшем остывании сплава из зёрен -фазы выделяется избыточный компонент В в виде вторичной -фазы. Поэтому при комнатной температуре сплав II будет состоять из эвтектики и зёрен -фазы с вкраплениями фазы II.
Необходимо отметить, что вторичная -фаза выделяется также из -фазы, входящей в состав эвтектики. Однако эта -фаза объединяется с одноименной фазой эвтектики и структурно не обособляется. Сплав II при всей сложности своей структуры состоит только из двух фаз: и .
Кристаллизация сплава III отличается от кристаллизации сплава II тем, что сначала из жидкого расплава выпадают кристаллы -фазы, а не -фазы. По мере снижения температуры количество кристаллов -фазы нарастает, а не успевшая закристаллизоваться жидкость обогащается компонентом А. На линии эвтектического превращения DСЕ (т.е. в точке 7), эта жидкость будет иметь состав, соответствующий точке С, и кристаллизуется с образованием эвтектики по схеме (2). После завершения эвтектического превращения сплав будет состоять из кристаллов -фазы и эвтектики. При последующем охлаждении сплава выделений вторичной -фазы из -фазы не наблюдается, так как растворимость компонента А в -фазе с изменением температуры не меняется (если бы менялась, то наблюдалась бы фаза II). Таким образом, при комнатной температуре сплав III будет состоять из зёрен -фазы и эвтектики.
Сплав, по химическому составу соответствующий точке С, имеет структуру, состоящую только из эвтектики. Это эвтектический сплав. У доэвтектических сплавов в структуре наряду с эвтектикой присутствуют кристаллы -фазы. Их тем больше, чем сильнее состав сплава отличается от эвтектического. Заэвтектические сплавы имеют структуру, состоящую из эвтектики и кристаллов -фазы. Сплавы, расположенные левее точки F, являются однофазными и состоят только из зерен -фазы. Сплавы, расположенные правее точки G, состоят только из зёрен -фазы.