2. Метод построения диаграмм состояния двойных сплавов

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображе­ние фазового состояния сплавов данной системы в функции темпера­туры и концентрации.

 

Метод построения диаграмм состояния

Левая крайняя точка на оси концентраций соответствует 100 % содержанию компонента А. Процентное содержание второго компо­нента откладывается по этой оси слева направо. Правая крайняя точка соответствует 100 % содержанию второго компонента В.

Наличие в сплавах промежуточных фаз, образующихся в сплавах в интервале концентраций между чистыми элементами или твердыми растворами на их основе, позволяет рассматривать части диаграммы, между такой фазой и любым из элементов, независимо друг от друга.

Диаграммы состояний строят экспериментально. Для построения диаграммы состояний сплавов, образованных компонентами А и В, необходимо изготовить серию сплавов, содержащих различные количества компонентов А и В. Для каждого такого сплава экспериментально строят кривые охлаждения и определяют по ним критические точки,  т. е. температуры фазовых превращений. Полученные значения критических точек изучаемых сплавов откладывают на вертикальных линиях, соответствующих химическому составу этих сплавов. Затем соединяют критические точки, соответствующие определенным фазовым превращениям, и получают линии диаграммы состояний. Линия MKN геомет­рическое место всех верхних точек, которые определяют температуры начала кристаллизации сплавов. Ее называют линией ликвидус (ликва  по латыни означает жидкий). Линия MP'N – геометрическое место всех нижних критических точек, которые определяют температуры конца кристаллизации сплавов. Ее называют линией солидус (солид  твердый). Эти линии разделяют диаграмму состояний на области определенного фазового состава. Экспериментально построенные кривые охлаждения и диаграммы состояний проверяют по правилу фаз.

Правило фаз устанавливает температурные условия процесса кристаллизации при заданном давлении, а также определяет, сколько фаз должно быть в чистом компоненте или в сплаве определенного состава, если они находятся в равновесном состоянии при данной температуре (или давлении).

Равновесное фазовое состояние сплава определяется составом фаз, температурой и давлением. Число факторов, которые можно ме­нять, не изменяя фазового состава сплава, называют степенью свободы.

Степень свободы C определяется числом компонентов К и числом фаз Ф, имеющихся в сплаве при данной температуре и давлении:

C = К + 2 – Ф

Обычно диаграммы состояний строят для постоянного (атмосфер­ного) давления. В этом случае формула принимает вид:

C = К + 1 – Ф.

Для чистых компонентов степень свободы может принимать зна­чения 0 или 1. В первом случае фазовый состав сохраняется неизмен­ным только при постоянной температуре. Во втором – при изменении температуры. Например, в процессе кристаллизации чистого элемента одновременно существуют две фазы (жидкая и твердая). По правилу фаз можно определить число степеней свободы:

С = К + 1 – Ф = 1 + 1 – 2 = 0

Это значит, что процесс кристаллизации чистого эле­мента пока существуют две фазы, протекает изотермически (рис. 17). Исчезновение одной из фаз (при полном затвердевании или расплавле­нии) изменяет число степеней свободы

С = 1 + 1 – 1 = 1

т. е. на участках кривой охлаждения выше или ниже температуры кристал­лизации превращений не будет.

Для двойных сплавов, состоящих из двух компонентов, степень свободы может принимать значения 0; 1 и 2. В процессе кристаллизации такого сплава степень свободы будет равна

С = К + 1 – Ф = 2 + 1 – 2 = 1

Это свидетельствует о наличии функциональной зависимости между температу­рой и концентрацией фаз. Процесс кристаллизации сплава, несмотря на выделение теплоты кристаллизации, протекает при понижающейся температуре, хотя и с меньшей скоростью. Каждой температуре в пе­риод кристаллизации соответствует определенная концентрация и количество фаз (правило концентрации и правило отрезков).

При кристаллизации некоторых двойных сплавов (эвтектических, перетектических и др.) количество фаз может быть равным трем. В та­ком случае

С = 2 + 1 – 3 = 0

т. е. процесс протекает изотермически и при постоянной концентрации всех трех фаз.

Правило концентрации устанавливает концентрацию фаз сплава при заданной температуре в период кристаллизации. Концентрация жидкой фазы при данной температуре t₁ определяется точкой, лежащей при этой температуре на линии ликвидус, т. е. Ж_с. Концентрация твердой фазы при этой же температуре определяется точкой, лежащей на линии солидус, т. е. α_а.

Таким образом в процессе кристаллизации сплава 1 компонент В в жидкой и твердой фазе распределился неодинаково. Будучи более легкоплавким компонентом, чем компонент А, он в большем количестве сохранился в жидкой фазе и в меньшем количестве вошел во вновь образующиеся твердые кристаллы α. Более тугоплавкий, компо­нент А в большем количестве сосредоточился в кристаллах α.

Неравномерность распределения компонентов в жидкой и твердой фазе оценивают коэффициентом распределения К = Ж_с / α_а. Это явле­ние легло в основу кристаллофизических методов получения сверх­чистых полупроводниковых элементов.

Из всего сказанного можно сделать вывод, что химический состав выделяющихся кристаллов по мере снижения температуры изме­няется по линии солидус от точки к' до р'. В это же время состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус от точки к до точки р, т. е. обогащается более легкоплавким  компонентом В.

Тем не менее, при очень медленном (равновесном) охлаждении (а все диаграммы строятся именно для этого случая) химический состав твердых кристаллов вследствие процесса диффузии выравнивается и к концу кристаллизации определяется точкой р', соответствуя хими­ческому составу сплава.

В реальных условиях охлаждения такого выравнивания может и не произойти. В этом случае химический состав одного кристалла в разных его точках может различаться. Такую химическую неодно­родность называют микроликвацией.

Правило отрезков устанавливает количественное соотношение фаз в  период  кристаллизации.  Так,  например,  при  температуре t₁ количество жидкой и твердой фазы в сплаве определится соотношением

где Ж_с + α_а – общее количество сплава.

Таким образом, количество жидкой фазы Ж_с пропорционально отрезку аб, прилегающему к линии солидус, а количество твердой фазы α_а – отрезку бс, прилегающему к линии ликвидус. По мере раз­вития процесса кристаллизации отрезок аб, определяющий количество жидкой фазы, уменьшается, а отрезок бс, наоборот, растет.