Правило отрезков

В процессе кристаллизации изменяются и концентрация фаз (поэтому состав жидкости изменяется), и количество каждой фазы (при кристаллизации количество твердой фазы увеличивается, а жидкой уменьшается). В любой точке диаграммы, когда в сплаве одновременно существуют две фазы, можно определить количество обеих фаз и их концентрацию. Для этого служит так называемое правило рычага, или правило отрезков.

В точке а, показывающей состояние сплава К при температуре t₁ (рис.1.17), сплав состоит из кристаллов В и жидкости. Выше точки l сплав находится в однофазном состоянии (жидком), и концентрация компонентов в этой фазе (т.е. в жидкости) определялась проекцией точки l. При охлаждении из сплава выделяются кристаллы В и состав жидкости изменяется в сторону увеличения в ней компонента А. При температуре t₁ концентрация компонента В в жидкости определяется проекцией точки b на ось концентраций (точка b’); это максимальное количество компонента В, которое может содержать жидкость при t₁ . По достижении эвтектической температуры жидкость принимает эвтектическую концентрацию. Следовательно, при охлаждении сплава К концентрация жидкости меняется по кривой lC. Выделяющиеся кристаллы В имеют постоянный состав - это чистый компонент В, концентрация которого лежит на вертикальной оси ВВ.

Массовая (объемная) доля жидкой фазы обратно пропорциональна отрезку аС, а твердой фазы – отрезку ab, т.е. отрезкам линии между заданной точкой а и точками, определяющими составы этих фаз.

Рис.1.17 Диаграмма состояния (к применению на ней правила отрезков)

Правило отрезков в двойных диаграммах состояния можно применить только в двухфазных областях. В однофазной области имеется лишь одна фаза; любая точка внутри области характеризует ее концентрацию.

1.8 Диаграмма состояния для сплавов, компоненты которых неограниченно растворимы в твердом состоянии (II рода) (неограниченный твердый раствор).

Оба компонента сплава (А и В) неограниченно растворимы в жидком (L) и твердом состояниях и не образуют химических соединений. Диаграмма состояния имеет простой вид и показана на рис. 1.18,а где линия AmB – ликвидус, AnB – солидус.

Рис.1.18 Диаграмма состояния II рода (а), кривые охлаждения сплавов I, II, III и схемы их структур (б).

Структура всех этих сплавов однофазная и состоит из зерен, которые представляют собой твердый раствор одного компонента в другом (рис.1.18,б). Из кривых охлаждения видно, что до точки 1 происходит охлаждение жидкого сплава, на участке 1-2 – кристаллизация твердого раствора, а ниже точки 2 – охлаждение уже твердого вещества.

Рассмотрим процесс затвердевания одного из сплавов этой системы. Кристаллизация сплава I начинается при температуре t₁ . Из жидкой фазы состава m выделяются кристаллы твердого раствора состава n (т.е. раствора в котором концентрация В составляет n’ по оси концентраций, а концентрация А составляет 100% - n’), обогащенные компонентом В.

При дальнейшем охлаждении до температуры t₂ в жидко-твердом растворе имеется (находится в равновесии) жидкий сплав с концентрация ми компонентов q (q’) и твердый раствор с концентрация ми компонентов р (p’). Т.е. при кристаллизации сплава I состав жидкой фазы непрерывно меняется по лини ms, а твердого вещества – по линии n2₁. В результате медленного охлаждения в равновесных условиях успевает произойти диффузионное перераспределение компонентов между жидкой и твердой фазами. Поэтому к моменту окончания процесса кристаллизации при температуре t₂ все зерна твердого раствора будут иметь одинаковый состав (если бы этого не было, то тогда раствор состоял бы из зерен с концентрациями компонентов начиная от n’ до 2_I – т.е. с зернами сначала богатыми компонентом В, а потом зернами богатыми компонентом А).

В соответствии с правилом отрезков в точке К количество жидкости равно соотношению Kp/qp, количество твердой фазы - qK/qp. Состав жидкости: q’ – концентрация В, %, (1- q’) – концентрация А. Состав твердой фазы: n’ - концентрация В, %, (1- n’) – концентрация А.

В реальных условиях охлаждения состав кристаллов получается неоднородным. Это происходит потому, что скорость кристаллизации больше скорости диффузии и у кристаллов, образующихся при температуре выше t₄, не успевает произойти диффузионное перераспределение компонентов. Внутренние участки кристалла обогащаются тугоплавким компонентом В (т.е. тем компонентом, который лежит ближе к точке n или n’), а наружные - компонентом А (т.е. тем компонентом, который лежит ближе к точке 2_I , как выше и сказано). Такая неоднородность химического состава называется внутрикристаллической, или дендритной, ликвацией. Ликвация чаще всего играет отрицательную роль, т.к. ухудшает технологические и механические свойства сплавов.

Диаграммы такого типа имеют системы Ni – Cu, Ag – Au, Mo – V, Mo – W и др.