3.2. Диаграммы состояния сплавов

Диаграмма состояния сплавов представляет собой графическое изображение фазового состояния сплава в зависимости от температуры и концентрации. Фазовые состояния на диаграмме являются равновесными, т.е. соответствующими минимуму свободной энергии системы.

Диаграммы состояния для различных систем обычно получают экспериментально, изменяя температуру и состав сплава. При этом с помощью различных экспериментальных методов определяют точки фазовых превращений. В настоящее время разработаны также теоретические методы расчета диаграмм с применением вычислительной техники.

Вид диаграммы для конкретной системы определяется характером взаимодействия между компонентами системы при различных температурах и составах. Ниже на примере бинарных (двухкомпонентных) сплавов рассматриваются принципы описания и анализа различных диаграмм фазового состояния.

3.2.1. Диаграммы состояния сплавов с неограниченной растворимостью

Для систем такого типа возможно существование двух фаз жидкого раствора L и твердого раствора , причем как в жидкой, так и в твердой фазе компоненты неограниченно растворимы друг в друге. Линия A_mB (ликвидус) соответствует началу кристаллизации и разделяет область жидкой фазы (выше ликвидуса) и двухфазную область жидкость + твердый раствор. Линия A_nB (солидус) соответствует концу кристаллизации; ниже этой линии находится область гомогенного твердого раствора .

В любой точке диаграммы, где одновременно сосуществует две фазы, относительное количество фаз и их состав можно определить с помощью правила отрезков. Например, в точке 1 сплав “К” однофазный, концентрация компонентов (концентрация В) определяется проекцией этой точки на ось абцисс. При охлаждении из жидкости начинают выделяться кристаллы, обогащенные более тугоплавким элементом (здесь это элемент В), причем состав их определяется следующим образом. Проведем горизонталь (1-S) до пересечения с линией, ограничивающей фазовую область на диаграмме (в данном случае это солидус A_nB). Проекция точки S на ось абцисс (концентрационную ось) покажет состав кристаллов .

В точке сплав состоит из жидкости (L) и твердого раствора . Снова проведем горизонталь через точку до пересечения с линиями, ограничивающими фазовую область (ликвидусом и солидусом). Горизонталь пересечет их в точках и соответственно. Проекция точки на концентрационную ось покажет состав жидкости, а проекция точки - состав кристаллов . Они различны из-за того, что выделяются кристаллы твердого раствора , обогащенные более тугоплавким элементов, а оставшаяся жидкость обедняется им. Это видно из диаграммы: в интервале кристаллизации от точки 1 до точки состав жидкости изменился по кривой , а состав твердого раствора – по кривой .

Относительное количество жидкой и твердой фаз определяется длиной отрезков, на которые точка делит . Количество фазы L соответствует отношению , а количество твердого раствора - . При кристаллизации количество жидкости уменьшается (отрезок , а затем ), а количество твердого раствора растет. В точке « кристаллизация заканчивается, состав кристаллов соответствует проекции точки 2, а состав последней капли жидкости – проекции точки .