1. Диаграмма состояния сплавов, компоненты

КОТОРЫХ ПОЛНОСТЬЮ РАСТВОРИМЫ В ЖИДКОМ И

Твердом состояниях (Ni-Cu, Ag-Au, Mo-w, Mo-V и др.)

Полная взаимная растворимость в твердом состоянии возможна тогда, когда оба компонента имеют одинаковый тип кристаллической решетки и атомные диаметры компонентов мало отличаются по размерам. Такая диаграмма (рис.2) состоит из двух линий – ликвидус и солидус. Ликвидус и солидус пересекаются между собой в точках кристаллизаций чистых компонентов А и В (А - это температура плавления – кристаллизации компонента А; В - температура плавления - кристаллизации компонента В). Все сплавы затвердевают в интервале температур.

Рис.2. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых неограниченно

растворимы в жидком и твердом состояниях

Для анализа данной диаграммы достаточно рассмотреть один (любой) сплав. Рассмотрим для примера сплав 1, содержащий 40% А и 60% В. Выше точки 1 сплав находится в жидком состоянии. Процесс кристаллизации начинается при температуре t₁. Проведя изотерму, определим, что из жидкости выпадают кристаллы -твердого раствора концентрации точки 1 (5%А+95% В). При температуре 2 выпадают кристаллы -твердого раствора, концентрация которых определяется проекцией 2 на ось концентрации (30% А + 70% В), а оставшийся жидкий сплав имеет состав точки 2 (83%А + 17% В). При температуре 3 процесс кристаллизации закончится, сплав полностью затвердеет. Таким образом, для выбранного сплава концентрация -твердой фазы изменяется по линии солидус от точки 1 до 3, а жидкой фазы – по линии ликвидуса от точки 1 до точки 3. Процесс первичной кристаллизации, протекающий в интервале температур от t₁ до t₃, можно записать в виде формулы

, (1)

то есть в процессе первичной кристаллизации выпадают кристаллы разного химического состава.

При медленном охлаждении сплава успевают пройти процессы диффузии, благодаря чему состав всех выпавших кристаллов -твердого раствора выравнивается, стремясь к исходному (50% А + 50% В). После медленного охлаждения сплав 1 (как и все другие сплавы этой системы) будет иметь однородную зернистую структуру, состоящую из кристаллов -твердого раствора (рис.3б).

а) б)

Рис.3. Схемы структуры -твердого раствора после ускоренного

(а) и медленного (б) охлаждения

В производственных условиях охлаждение слитков и отливок происходит со скоростями, при которых диффузионные процессы при кристаллизации не успевают завершиться, поэтому всегда получается неодинаковый состав не только отдельных кристаллов, но и в каждом из них. Внутренние участки кристалла будут более богаты тугоплавким компонентом В, а наружные – компонентом А. Это явление химической неоднородности называется микроликвацией Сплав приобретает дендритную структуру (рис.3а) и в этом случае имеет пониженное сопротивление разрушению, труднее поддается обработке резанием и давлением.

Для устранения дендритной структуры проводят диффузионный (гомогенизирующий) отжиг, состоящий из нагрева сплава в области высоких температур ( 0,9 Т_пл^оК) в течение длительного времени и медленного охлаждения (рис.4). Такой вид термической обработки может быть выполнен только для тех сплавов, которые при первичной кристаллизации образуют твердые растворы.

Кроме гомогенизации, сплавы этой системы могут быть подвергнуты рекристаллизационному отжигу, проводимому для устранения наклепа холоднодеформированного металла. Этот отжиг проводят при температурах несколько выше температурного порога рекристаллизации (рис. 5).

Таким образом, в сплавах, не претерпевающих фазовых превращений в твердом состоянии, возможны только те виды термической обработки, которые не связаны с фазовой перекристаллизацией, а именно: диффузионный отжиг, рекристаллизационный отжиг, а также отжиг для снятия внутренних напряжений после технологических операций (литья, обработки резанием, давлением, сварки и др.).

В двухфазных областях диаграммы можно определить состав и количественное соотношение фаз при любой температуре. Это осуществляется с помощью двух правил.

1. Правило определения состава фаз (правило концентраций). Для определения состава фаз в двухфазной области диаграммы в заданной точке (например, точка 2 рис.2) необходимо через эту точку провести горизонтальную линию (коноду) до пересечения с линиями, ограничивающими данную область; проекции точек пересечения 2 и 2 на горизонтальную ось диаграммы покажут химический состав фаз ( в данном случае химический состав жидкой фазы соответствует 83% А + 17% В, а твердой фазы – 70% А и 30% В).

2. Правило определения количественного соотношения фаз (правило отрезков). Для определения относительного весового количества (ОВК) фазы в заданной точке нужно провести через эту точку коноду и разделить длину отрезка, противолежащего составу данной фазы, на длину коноды. Например, в точке 2:

,

.

Рис.4. График диффузионного отжига

Рис. 5. График рекристаллизационного отжига

Правила для определения состава и количества фаз одинаковы для любой двухфазной области всех диаграмм состояния. Эти правила не имеют смысла в однофазной области.