3.3. Диаграмма состояния эвтектического типа с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии

Компоненты: вещества А и В.

Характеристика диаграммы (рис. 5): оба компонента неограниченно растворимы в жидком состоянии; ограниченно – в твердом и не образуют химического соединения.

При добавлении компонентов А и В одного к другому происходит снижение температур начала и конца кристаллизации сплава, в результате чего при некоторой температуре t_E жидкость L_E оказывается в эвтектическом равновесии с α_С - и β_D-твердыми растворами, то есть L_E α_С + β_D.

Фазы: жидкость L, твердые растворы α и β.

Точки: А′ – температура плавления и кристаллизации компонента А; В′ – температура плавления и кристаллизации компонента В; Е– точка эвтектики; C – точка предельной растворимости компонента В в А; D – точка предельной растворимости компонента A в B; F – точка предельной растворимости компонента В в А при комнатной температуре; G – точка предельной растворимости компонента A в В при комнатной температуре.

Линии: А′Е В′ – ликвидус; А′CEDВ′ – солидус; CF – линия сольвуса – линия предельной растворимости В в А; DG – линия сольвуса – линия предельной растворимости А в В; CED – линия эвтектического превращения.

Эвтектическое равновесие для данной системы представляет собой равновесие жидкости эвтектического состава (L_E) с твердыми кристаллами α- и β-растворов при эвтектической температуре t_E:

L_E α_С + β_D.

Рис. 5. Диаграмма состояния эвтектического типа с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии

Фазовые превращения при охлаждении сплавов

Сплав N (рис. 6, а). Анализ фазовых превращений и построение кривой охлаждения для сплава N проводится аналогично рассмотренному ранее примеру в подразделе 3.1.

На кривой охлаждения будет два перегиба (рис 6, б). Окончательная микроструктура сплава N представляет собой однородный α-твердый раствор (схематическое изображение трансформации структур см. рис.6, б).

Аналогичные фазовые превращения будут иметь место в сплавах, с содержанием компонентов левее точки G. Кристаллизующейся фазой будет β-твердый раствор.

а

б в г

Рис. 6. Диаграмма состояния (а) и кривые охлаждения и трансформация структур сплавов N, M, S (б-N, в-M, г-S)

Сплав M (см. рис. 6, а):

1. При охлаждении из жидкого состояния до температуры начала кристаллизации t₃ (точка 3) число степеней свободы С=2. Идет простое охлаждение жидкости L_м.

2. При охлаждении в интервале от t₃ до t₄ (точка 4) число степеней свободы С=1. Происходит кристаллизация: выделяются кристаллы α-твердого раствора, состав которого изменяется по кривой солидуса 3' – 4, а состав жидкости – по кривой ликвидуса 3 – 4′: L_3–4′ α_3'–4.

3. При охлаждении от точки 4 до точки 5 число степеней свободы С=2. Идет простое охлаждение сплава, состоящего из α-твердого раствора

4. При температуре ниже t₅ (точка 5) число степеней свободы С=1 – начинается вторичная кристаллизация (перекристаллизации): растворимость компонента В в α-растворе уменьшается, поэтому из α-раствора выделяется избыточный компонент В в виде β-твердого раствора. Кристаллы β, выделившиеся из твердого раствора, называют вторичными, их обозначают символом β_II в отличие от первичных, выделившихся из жидкости.

В рассматриваемом сплаве процесс вторичной кристаллизации (перекристаллизации) протекает в интервале температур от точки 5 до точки 6 (t_ком). При этом состав α-фазы меняется по кривой сольвуса 5-F, вследствие выделения кристаллов β-концентрации 5′–G: α_5-F β_5′–G .

Окончательная микроструктура сплава M будет состоять из первичных α-кристаллов и вторичных β_II-кристаллов, которые, как правило располагаются по границам первичных кристаллов, а иногда и внутри кристаллов (схематическое изображение рис. 7). Трансформация структур при охлаждении сплава М приведена на рис 6, в.

Рис.7. Схематическое изображение вторичных кристаллов

Количество кристаллов β_II по мере охлаждения увеличивается и характеризуется длиной соответствующего горизонтального отрезка, проведенного от вертикали М-M до линии 5–F. Например, при температуре k сплав состоит из двух фаз α и β_II. Состав α-фазы определяется проекцией точки m, а β_II – проекцией точки n. Процентные доли фаз при температуре t_k составят:

Qα_m ; Q_βn .

На кривой охлаждения будет три перегиба (см. рис. 6, в).

Аналогичные фазовые превращения будут иметь место в сплавах, с содержанием компонентов от точки D до точки G. При первичной кристаллизации будут выделяться кристаллы β-твердого раствора, а при вторичной кристаллизации – α_II.

Сплав S (доэвтектический):

1. До температуры точки 7 сплав находится в жидком состоянии (С=2).

2. В точке 7 из жидкости начинают выделяться кристаллы α-твердого раствора (С=1). При понижении температуры от точки 7 до точки 8 идет кристаллизация L_7–E α_7'–C

3. При достижении эвтектической горизонтали DEC (точка 8) сохранившаяся жидкость эвтектического состава, определяемого точкой Е, претерпевает эвтектическое превращение – из неё выделяются одновременно кристаллы двух твердых растворов: L_Е α_C+β_D. Реакция нонвариантная, так как при двух компонентах в реакции участвуют три фазы: жидкость, α-кристаллы, β-кристаллы (С=К+1–Ф=2(А, В)+1–3(L, α, β)=0). Сплав приобретает структуру, состоящую из первичных α-кристаллов и эвтектики (α+β).

4. При дальнейшем охлаждении от точки 8 до точки 9 вследствие изменения растворимости α-кристаллы выделяют вторичные кристаллы β_II. Аналогично вследствие изменения растворимости β-кристаллов выделяются вторичные кристаллы α_II, которые, однако, структурно не выявляются, так как сливаются с α-кристаллами первичными. При комнатной температуре α-кристаллы (первичные, вторичные и входящие в эвтектику) будет иметь состав, отвечающий составу точки F, а β-кристаллы состав, отвечающий составу точки G. Реакция перекристаллизации будет иметь вид: α_С-F β_D–G .

Окончательная микроструктура сплава S будет состоять из α+эвтектика(α+β)+β_II (схематическое изображение рис. 8).

Рис.8. Схематическое изображение возможных вариантов структур доэвтектических сплавов

На кривой охлаждения сплава S будет два перегиба и одна горизонтальная площадка (см.рис. 6, г).

Заэвтектические сплавы (расположенные правее эвтектической точки Е до точки D) претерпевают аналогичные фазовые превращения с тем отличием, что при первичной кристаллизации выделяются кристаллы β-твердого раствора, а при вторичной кристаллизации – α_II, и соответственно структура сплавов при комнатной температуре состоит из кристаллов β+эвтектика (α+β)+α_II ( см. рис 8).

В эвтектическом сплаве состава точки Е кристаллизация жидкости протекает сразу же по эвтектической реакции, и окончательная структура состоит только из одной эвтектики (α+β). Вторичные кристаллы α_II и β_II структурно выявляться не будут, так как сольются с α- и β- кристаллами эвтектики.

Эвтектика может иметь пластинчатое, зернистое, скелетное или игольчатое строение (рис. 9).

Микроструктуры доэвтектического и заэвтектического сплава системы Pb-Sb приведены на рис. 10