Основные типы диаграмм состояния сплавов

Для характеристики изменений структуры сплавов в зависимости от состава и температуры строят диа­граммы состояния. Они представляют собой гра­фическое изображение равновесного или неравновесного состояния сплавов и строят их в координатах температу­ра — состав.

Равновесное состояние сплавов достигается при ма­лых скоростях охлаждения или длительном нагреве. Не­равновесное состояние, приводящее к повышению меха­нических и других свойств, характеризуется ограничен­ной устойчивостью и способностью перехода в другие устойчивые состояния.

Диаграммы состояния обычно строятся с помощью термического метода анализа металлов и сплавов. Сущ­ность метода сводится к определению критических точек металлов и сплавов. Строят кривые охлаждения, кото­рые выражают графическую зависимость между изме­нением температуры металла (сплава) при охлаждении и временем, в течение которого эти изменения происхо­дят. Эти кривые строятся в координатах температура (ось ординат) — время охлаждения (ось абсцисс).

Так как фазовые превращения в металлах и сплавах сопровождаются тепловыми эффектами, то на кривых охлаждения можно наблюдать либо остановки (площад­ки), либо перегибы. Появление площадки говорит о том, что фазовые превращения происходят при постоянной температуре. Перегибы появляютсяв результате изменения скорости охлаждения, в этом случае фазовые превращения протекают в интервале температур.

Температура начала и конца фазовых превращений, определеяемые по кривым охлаждения, называются критическими. Соответсвующие им точки на кривых охлаждения называются критическими точками.

Диаграмма состояния двойных сплавов — первого ти­па, образующих при затвердевании механическую смесь, характеризует сплавы, компоненты которых в жидком состоянии неограниченно растворимы друг в друге, а в твердом состоянии нерастворимы и не образуют хи­мического соединения. По диаграмме состояния пер­вого типа кристаллизуются сплавы Рb—Sb; Рb—Sn; Zn—Sn и др.

И з приведенных кривых на рис.8,а чистые металлы (Рb, Sb) и эвтек-тические__сплавы (рис. 8, в) имеют одну критическую точку, а сплавы — две (рис.8 б, г). Верхняя критиче­ская точка соответствует началу, а нижняя — концу за­твердевания, причем нижняя критическая точка для всех сплавов одинакова и равна 246 °С.

Диаграмма состояния (рис.9) сплавов свинец — сурьма. Выше линии АВС все сплавы представляют собой однофазный жидкий раствор (ж. р.). Эта линия называется линией ликвидус (с греч.-жидкий), линия DВE— линия солидус (с греч.- твердый). Ниже линии DВE все сплавы находятся в твердом состоянии. Сплав, соответствующий точке В, называется эвтектичеcким. Для данной системы он имеет строго определенный состав (87% Рb и 13% Sb) и обладает самой низкой температурой плавления (246 °С). Сплавы, расположен­ные влево от эвтектики, называются доэвтектическими, а вправо — заэвтектическими. В доэвтектических спла­вах сначала при охлаждении ниже, линии ликвидус АВ выделяются кристаллы свинца, а в заэвтектических ВС— кристаллы сурьмы. После затвердевания, т.е. ниже ли­нии солидус, доэвтектические сплавы состоят из кристал­лов свинца и эвтектики, а заэвтектические — из кристал­лов сурьмы и эвтектики. Пользуясь диаграммой состояния, можно определить температуру начала и кон­ца кристаллизации сплавов и их строение.

Диаграмма состояния двойных сплавов — второго типа (рис. 10) характеризует сплавы, компоненты которых обладают полной взаимной растворимостью, как в жид­ком, так и в твердом состояниях и не образуют химиче­ских соединений. По диаграмме состояния второго типа кристаллизуются сплавы Сu —Ni, Fе —Ni, Fе — Сг, Вi — Sb и др.

Линия АтВ — линия ликвидус, линия АпВ — линия солидус, ниже этой линии сплавы находятся в виде твердых растворов (т.р.). Между линией ликвидус и солидус находится двухфазная область, в которой одновременно существуют кристаллы твердого раствора и жидкий раствор.

Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состоянии — третьего типа — характеризует сплавы, у которых оба компонента неограниченно растворимы в жидком состоянии, ограниченно — в твердом, образуют при кристаллизации эвтектику (рис.11). Сюда относятся системы А1 — Сu, Fе — С, Мg —А1, Мg —Zn и др.

Линия АEВ — линия ликвидус, выше этой линии сплавы находятся в жидком состоянии; линия АDЕСВ — линия солидус, ниже этой линии сплавы находятся в твердом состоянии. По линии АЕ выделяются кристаллы твердого раствора компонента F в К, которому присвоено название α-твердого раствора, по линии ВЕ выделяются кристаллы твердого раствора К в F, который обозначим β. Предельная растворимость F в К определяется линией DD', а предельная растворимость К в F определяется линией CC^' .

Как видно из диаграммы, растворимости F в К и К в F меняется с изменением температуры. Может быть такой случай, когда компонент F растворим в К и растворимость изменяется с изменением температуры (ли-

ния DD'), а растворимость K в F не изменяется с изменением температуры (линия СG). Область АDЕА представляет собой жидкий раствор и кристаллы твердого α-раствора; область ВЕСВ — жидкий раствор и кристаллы твердого β-раствора; область АDD'КА — кристаллы твердого α-раствора; область ВСС'FВ — кристаллы твердого β-раствора. Область DЕЕ'J — эвтектику, кристаллы α-раствора и β_II-фазы; область ЕGGЕ' — эвтектику, кристаллы β-раствора и α_II-фазы)

Диаграмма состояния с устойчивым химическим соединением — четвертого типа - характеризует сплавы, компоненты которых неограниченно растворимы и в жидком состоянии, нерастворимы в твердом и образуют устойчивое химическое соединение (рис.12). К таким системам относятся сплавы Мg - Cu и др.

Линия АЕ₁СЕ₂В — линия ликвидус. Эта диаграмма как бы составлена из двух диаграмм первого типа. Химическому соединению К_пF_т соответсвует точка С. На диаграмме эвтектический сплав, соответствующий точке Е₁ , представляет собой механическую смесь кристаллов К и химического соедине­ния К_пF_т, а эвтектический сплав Е₂ - смесь кристаллов F и химического соедине­ния К_пF_т.

Фазовый состав диаграммы может быть определен по аналогии с диаграммой первого типа.