2. Основные равновесные диаграммы состояния двойных сплавов

Рассмотрим типовые примеры диаграмм состояния двойных систем, обращая особое внимание на фазовые превращения в твердом состоянии.

1. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых полностью растворимы в жидком и твердом состояниях

Полная взаимная растворимость в твердом состоянии возможна то­гда, когда оба компонента имеют одинаковые кристаллические решетки и атомные диаметры компонентов мало отличаются по размерам. Такая диаграмма (рис. 4.3) имеет простой вид и состоит из двух линий — ли­квидус и солидус, пересекающихся между собой в точках кристаллизации чистых компонентов А и В. Все сплавы затвердевают в некотором интер­вале температур (С = 1). Диаграммы такого типа имеют системы N1-Си, А§-Аи, Мо-У, Мо-\У и др.

Рассмотрим затвердевание одного из сплавов этой системы состава х_с (см рис. 4 3). Жидкий раствор при температуре /I начинает кристал­лизоваться. Можно предполагать, что выпадающие кристаллы должны быть того же состава, что и жидкость. Однако из жидкого раствора соста­ва х_с при температуре 1\ начинают выпадать кристаллы, сильно обога­щенные более тугоплавким компонентом В. При дальнейшем охлаждении до температуры <2 ^в равновесии с жидкостью состава х_а. обогащенной компонентом А, будут находиться кристаллы твердого раствора состава х^. При медленном охлаждении, а это необходимое условие для получения равновесных состояний, компонент А из жидкости диффундирует в кри­сталлы состава х_е, и они изменяют состав до . К концу затвердевания при температуре <з все кристаллы будут иметь одинаковый состав х_с.

Р ис. 4.3. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых полностью раство­римы в жидком и твердом состояниях

На диаграмме утолщенными линиями показано, как изменяется со­став жидкого и твердого растворов в процессе кристаллизации от темпе­ратуры 1\ до <3. В процессе кристаллизации изменяется не только состав, но и количественное соотношение жидкой и твердой фаз.

После окончания кристаллизации должна наблюдаться однофазная структура.

Если процесс кристаллизации протекает в условиях ускоренного охлаждения, что обычно имеет место при получении литых деталей и слитков, то диффузионное выравнивание состава у кристаллов, выпав­ших при температурах выше <з, не успевает происходить, в результате чего получается неодинаковый состав не только у отдельных кристаллов, а в каждом из них. Внутренние участки кристалла будут более богаты тугоплавким компонентом В, наружные — компонентом А. Это явле­ние неоднородности химического состава носит название микроликвации. Первые кристаллы поверхности слитка будут обогащены компонентом В, а последние, образовавшиеся в середине слитка,, — компонентом А. В результате этого возникает макроликвация в слитке.

Ликвация чаще всего играет отрицательную роль и особенно в тех случаях, когда вредные примеси распределяются неравномерно. Повы­шенное содержание вредных примесей может привести к преждевремен­ному разрушению деталей.

Имея диаграмму состояния, мож.но проследить за фазовыми превра­щениями любого сплава и указать состав и количественное соотношение фаз при любой температуре. Это осуществляется при помощи двух про­стых правил.

Ранее указывалось, что химический состав выделяющихся кристал­лов по мере снижения температуры изменяется по линии солидус от х_е до х_с (см. рис. 4.3). В это же время состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус от х_с до X]. Это дает основание сформулировать прави­ла определения состава фаз (правило концентраций) и количественного соотношения фаз (правило отрезков). Для определения концентрации компонентов в двух фазах через данную точку (см. рис. 4.3), характе­ризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию (коноду) до пересечения с линиями, ограничивающими данную область; проекции точек пересечения (а и 6) на горизонтальную ось диаграммы покажут со­ставы фаз (х_а и хф). Отрезки этой линии (коноды) между точкой с и точками а и Ь, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз:

Жа/щ = Ъс/ ас.

Эти правила справедливы для любой двухфазной области диаграммы состояния и не имеют смысла в однофазной области. Используя их и привлекая еще дополнительно правило фаз, можно «прочитать» любую сложную диаграмму, состоящую из большого числа ветвей и областей.