1.5.2. Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью. Правило отрезков (рычага)

В расплавленном состоянии материалы обычно полностью растворимы друг в друге. В твердом состоянии это бывает редко. Рассмотрим принципы построения диаграмм состояния компонентов с полной (неограниченной) растворимостью в твердом состоянии. Диаграмма строится по кривым охлаждения (рис.1.30) чистых металлов и сплавов различного состава. По этим кривым определяют температуры фазовых превращений (критические точки).

Рис.1.30. Кривые охлаждения и диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов

Для чистых металлов А и В, горизонтальный участок соответствует Т и обусловлен выделению скрытой теплоты кристаллизации. Проекция и дает две точки диаграммы состояния. Кристаллизация сплавов идет с понижением температуры. (Для сплава С = 1, т.е. изменение состава сопровождается изменением температуры). Для сплава - температура начала кристаллизации; - ее окончание. Ниже - существует только твердый раствор, выше - жидкий раствор (Ж). В диапазоне - существуют две фазы + Ж. Проекции и на ось соответствующую составу сплава дают две точки диаграммы состояния. Аналогично для других составов. Кривая, построенная по точкам начала кристаллизации называется линией ликвидуса. Семейство критических точек соответствующих температуре окончания кристаллизации образуют линию солидус.

По диаграмме состояния можно дать количественную оценку состава любой фазы при любой температуре. Для этого используется правило - состава (концентрации): состав жидкой фазы при температуре определяется проекцией точки пересечения с линией ликвидус на ось концентраций (Ж ); состав твердой фазы при - проекцией точки пересечения с линией солидус ( ). Т.е. необходимо провести линию параллельную оси концентрации из точки (отрезок называется конадой).

Соотношение фаз при кристаллизации устанавливается с помощью правила отрезков (рычага): массовые (объемные) соотношения жидкой и твердой фаз пропорциональны длине отрезков, примыкающих к линиям L-ус и S-ус. Т.е. содержание твердой и жидкой фаз будут равны соответственно: ; Ж .

Приведенная диаграмма состояния является равновесной (очень медленное охлаждение) и кристалл будет однороден по составу. При высоких скоростях охлаждения кристаллы будут иметь различный состав, и линия солидус лежит ниже.

1.5.3. Диаграммы состояния сплавов с ограниченной растворимостью

В твердом состоянии металлы обычно ограниченно растворимы друг в друге. Различают три типа таких сплавов: 1) с ограниченной растворимостью компонентов и эвтектическим превращением; 2) сплавы практически не растворимых в твердом состоянии компонентов с эвтектическим превращением; 3) с ограниченной растворимостью и перитектическом превращением. Ко второй группе относятся и сплавы, в которых растворимость в твердом состоянии зависит от температуры (рис.1.31).

Эвтектикой называют высокодисперсную механическую смесь нескольких твердых фаз, одновременно кристаллизирующихся при постоянной температуре (эвтектическое превращение).

Рис.1.31. Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью и

эвтектическим превращением

На диаграмме состояния сплав второго типа, видно, что максимальная растворимость В в А и А в В наблюдается при Т (точки С и Е, соответственно). При понижении температуры растворимость уменшается и в нормальных условиях соответствуют точкам F и G. Сплав состава С является самым легкоплавким - эвтектическим. Сплавы из области левее D до С - доэвтектические; из области DE - заэвтектические. Линия , . Левее линии наблюдается твердый раствор В в А, правее - раствор А в В , кривые охлаждения не имеют горизонтального участка. Сплавы других составов имеют на кривой Т( ) перегиб, соответствующий сосуществованию твердой и жидкой фаз и горизонтальный участок при Т (для С только он). Согласно теории кристаллизации эвтектик, вначале зарождается одна из фаз. Выпадение кристаллов твердого раствора (на основе А) вызывает смещение состава расплава в пользу компонента В. Это вызывает кристаллизацию -раствора, смещая систему в сторону А компоненты. Такая поочередная кристаллизация дает гомогенную мелкодисперсную механическую смесь. Содержание эвтектики, имеющейся в каждом до- и заэвтетическом сплаве, определяется по правилу рычага.

Подобный вид имеют диаграммы состояния сплавов, компоненты которых практически не растворимы в твердом состоянии. Кристаллическими фазами в них являются не твердые растворы, компоненты А и В, состав эвтектики - А+В.

Для некоторых сплавов с ограниченной растворимостью (Cu-Zn, Cu-Sn) наблюдается перитектическое превращение, т.е. образование одной из кристаллических фаз за счет взаимодействия другой кристаллической фазы с расплавом. ус, ус, CDE - линия перитектического превращения по уравнению: . Т.е. при взаимодействии жидкости состава С с кристаллами раствора состава Е образуются кристаллы - раствора D. При - const в системе существуют 3 фазы: жидкая и 2 твердых раствора.