2851

ветствующей данной коноде. Для определения состава жидкой или твердой фаз необходимо из точки пересечения коноды с линией ликвидуса или солидуса опустить перпендикуляр на горизонтальную ось состава. То есть в процессе понижения температуры состав жидкой фазы меняется по линии ликвидуса, а состав твердой фазы – по линии солидуса. Изменение составов жидкой и твердой фаз происходит в двухфазной области между линиями ликвидуса и солидуса.

Не трудно видеть, что в процессе понижения температуры от t1 до t5 сплав обедняется компонентом В, то есть состав жидкости отклоняется от линии состава сплава 1 (пунктирная линия) влево по оси состава. Состав твердой фазы – кристаллов α-твердого раствора в процессе понижения температуры напротив обогащается компонентом В, то есть состав твердой фазы отклоняется от линии состава сплава 1 (пунктирная линия) вправо по оси состава и при температуре t5 соответствующей окончанию процесса кристаллизации кристаллы α- твердого раствора соответствуют по составу сплаву.

1.2.3. Диаграмма состояния сплавов, образующих ограниченные твердые растворы и эвтектику

На рис. 2.4 показана диаграмма состояния сплавов образующих ограниченные твердые растворы и эвтектику.

31

Рис. 2.4. Диаграмма состояния сплавов образующих ограниченные твердые растворы и эвтектику

Фазы имеющиеся на данной диаграмме: жидкая фаза; α- твердый раствор – это твердый раствор компонента В в компоненте А; β-твердый раствор – это твердый раствор компонента А в компоненте В.

Линии: асв – линия ликвидуса; аdeв – линия солидуса; dce – линия эвтектического превращения; df – линия предельной растворимости компонента В в компоненте А или линия предельной концентрации α-твердого раствора; ek – линия предельной растворимости компонента А в компоненте В или линия предельной концентрации β-твердого раствора.

Рассмотрим процесс кристаллизации из жидкого состояния сплава состава 1 на рис.2.4. При температуре t1 линия состава сплава достигает линии ликвидуса и начинается процесс кристаллизации жидкой фазы с выделением кристаллов β- твердого раствора. В момент достижения линии ликвидуса, в соответствии с правилом рычагов, количество кристаллов β- твердого раствора равно нулю, а сплав полностью состоит из

32

жидкой фазы. При дальнейшем понижении температуры от t1 до tэ доля жидкой фазы уменьшается а доля кристаллов растет и при температуре эвтектического превращения – tэ устанавливается окончательное соотношение между жидкой и кристаллической фазами (рис. 2.4). Как было сказано ранее, состав жидкой фазы в процессе понижения температуры от t1 до tэ меняется по линии ликвидуса и при температуре эвтектического превращения жидкость будет иметь состав точки с. Состав твердой фазы – кристаллов β-твердого раствора меняется по линии солидуса и при температуре эвтектического превращения кристаллы β-твердого раствора будут иметь состав точки е. При температуре эвтектического превращения имеются: жидкость состава точки с и кристаллы β-твердого раствора состава точки е в соотношении определяемом правилом рычагов

(рис. 2.4).

Кристаллы β-твердого раствора состава точки е при эвтектической температуре ни каких превращений не испытывают, а жидкость состава точки с при температуре tэ испытывает эвтектическое превращение по реакции:

Продукт эвтектической реакции αd + βe представляет собой смесь двух фаз и называется эвтектикой. Эвтектика – это мелкокристаллическая механическая смесь двух фаз.

Точка с это тройная точка на диаграмме так как в этой точке одновременно сосуществуют три фазы: жидкость, кристаллы α-твердого раствора и кристаллы β-твердого раствора. То есть система нонвариантна и равновесие в такой системе может существовать только при строго определенной температуре и строго определенных составах всех трех фаз, находящихся в равновесии.

Для записи эвтектической реакции необходимо помнить, что реакция идет в точке с. Над точкой с на диаграмме находится только жидкость, следовательно, жидкость состава точки с – это исходное вещество. Продукты реакции определяют-

33

ся на линии эвтектического превращения dce. Точка d этой линии упирается в однофазную область α-твердого раствора, а точка е упирается в однофазную область β-твердого раствора. Следовательно продуктами реакции являются: α-твердый раствор состава точки d и β-твердый раствор состава точки е.

При температуре эвтектического превращения, после полного завершения эвтектической реакции, сплав состоит: из эвтектики и крупных кристаллов β-твердого раствора, которые выделились из жидкости в процессе ее охлаждения от температуры t1 до tэ.

Однако в области под линией эвтектического превращения на диаграмме кроме перечисленных составных частей сплава присутствуют еще и кристаллы αII – α-твердого раствора вторичные. Вторичные кристаллы α-твердого раствора появляются в сплаве из-за понижения растворимости компонента А в β-твердом растворе в соответствии с линией ek – линией предельной растворимости компонента А в компоненте В или линией предельной концентрации β-твердого раствора. С понижением температуры ниже температуры эвтектического превращения при которой концентрация компонента А в β- твердом растворе максимальна, растворимость компонета А в β-твердом растворе понижается в соответствии с линией ek. Для понижения концентрации компонента А в β-твердом растворе при понижении температуры необходимо, чтобы компонент А выходил из β-твердого раствора. Но выделение компонента А из β-твердого раствора может происходить только в виде кристаллов α-твердого раствора, так как фаза чистого компонента А на диаграмме отсутствует. Следовательно вторичные кристаллы α-твердого раствора появятся в сплаве в процессе понижения температуры ниже эвтектической в результате распада пересыщенного β-твердого раствора с выделением из него кристаллов α- твердого раствора вторичных – αII. Чем ниже температура, тем выше доля кристаллов αII.

И так. При температуре эвтектического превращения после полного затвердевания жидкости сплав состоит из эвтектики и кристаллов β-твердого раствора состава точки е. Одна-

34

ко при понижении температуры ниже температуры эвтектического превращения в сплаве появляются кристаллы αII – α- твердого раствора вторичные в результате распада пересыщенного β-твердого раствора. Окончательно сплав состоит из эвтектики, кристаллов β-твердого раствора и кристаллов α- твердого раствора вторичных, в соответствии с диаграммой рис. 2.4.

Если рассмотреть процесс охлаждения сплава эвтектического состава – состава точки с, то в результате его кристаллизации образуется только эвтектика.

Чем ближе состав сплава к точке с, тем больше доля эвтектики и меньше доля β(α)-кристаллов. Чем дальше состав сплава от точки с, тем меньше доля эвтектики и больше доля β(α)-кристаллов, в соответствии с правилом рычагов.

Во всех случаях, когда линия состава сплава пересекает линию эвтектического превращения, в составе сплава будет присутствовать эвтектика.

Для сплавов, состав которых лежит левее точки с, полностью справедливы все рассуждения приведенные выше.

Рассмотрим сплав 2 рис.2.4. По достижении температуры, отвечающей точке пересечения линии ликвидуса и линии состава сплава, начинается кристаллизация α-твердого раствора из жидкости. В данном случае процесс кристаллизации протекает аналогично сплавам с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. При достижении температуры отвечающей точке пересечения линии солидуса и линии состава сплава, процесс кристаллизации полностью заканчивается и сплав состоит только из кристаллов α-твердого раствора. При дальнейшем охлаждении никаких изменений не происходит вплоть до достижения температуры отвечающей точке пересечения линии df и линии состава сплава. Начиная с этой температуры α-твердый раствор распадается с выделением кристаллов βII – β-твердого раствора вторичных. Причина распада кристаллов α-твердого раствора обсуждалась ранее.

Что касается сплава состава 1 рис. 2.4, то тут все совсем просто. Так как линия состава сплава не пересекает линию df,

35

то после окончания кристаллизации жидкости со сплавом ничего не происходит в процессе его охлаждения.

Приведенные рассуждения полностью применимы для правой части диаграммы в соответствующих областях.

1.2.4. Диаграмма состояния сплавов, образующих ограниченные твердые растворы и перитектику

На рис. 2.5 показана диаграмма состояния сплавов образующих ограниченные твердые растворы и перитектику.

Фазы: жидкость; β-твердый раствор – это твердый раствор компонента А в компоненте В; α-твердый раствор – это твердый раствор компонента В в компоненте А.

Линии: асв – линия ликвидуса; аdев – линия слидуса;

На данной диаграмме нет ничего принципиально нового за исключением линии сdf – линии перитектического превращения. Перитектическое превращение происходит на линии сdf в точке d. Для записи перитектической реакции запишем фазы, находящиеся над точкой d – это исходные вещества, непосредственно под точкой d располагается фаза, которая является продуктом реакции. Составы фаз, находящихся в равновесии в тройной точке диаграммы d, определяются на линии перитектического превращения сdf. Точка с – определяет состав жидкой фазы, точка е – состав β-твердого раствора, а точка d – состав α-твердого раствора при температуре перитектического превращения.

36

Рис. 2.5. Диаграмма состояния сплавов образующих ограниченные твердые растворы и перитектику

Перитектическая реакция для сплава состава точки d запишется:

Важно отметить, что в результате перитектического превращения образуется одна фаза, в данном случае α-твердый раствор.

Запишем перитектическую реакцию на отрезке сd. В соответствии с ранее введенным правилом:

В данном случае имеется избыток жидкости по отношению к сплаву состава точки d. Избыточная часть жидкости не вступает в реакцию и появляется в правой части уравнения (2.7).

Запишем перитектическую реакцию на отрезке dе. В со-

37

В данном случае имеется избыток β-твердого раствора по отношению к сплаву состава точки d. Избыточная часть β- твердого раствора не вступает в реакцию и появляется в правой части уравнения (2.8).

1.2.5. Диаграмма состояния сплавов образующих, твердые растворы с неограниченной растворимостью, один из компонентов которых имеет две полиморфные модификации

Данная диаграмма показана на рис. 2.6.

Компонент А при температуре ТпА испытывает полиморфное превращение, которое заключается в смене типа кри-

сталлической решетки. Ниже температуры Тп.А существует А α

– низкотемпературная полиморфная модификация компонента А. Выше температуры Тп.А существует А β – высокотемпературная полиморфная модификация компонента А.

Фазы: жидкость; β-твердый раствор – это твердый раствор с неограниченной растворимостью компонентов, то есть это твердый раствор компонента В в компоненте А в β- модификации и наоборот, твердый раствор компонента А в компоненте В в зависимости от того, какого из компонентов больше в составе сплава и, соответственно, какой из компонентов выступает в качестве растворителя; α-твердый раствор

– это твердый раствор компонента В в компоненте А в α- модификации.

Верхняя часть диаграммы была рассмотрена ранее, поэтому рассмотрим только нижнюю часть диаграммы.

Линии: ас – линия начала распада β-твердого раствора с образованием α-твердого раствора. Так как β-твердый раствор и α-твердый раствор имеют различные кристаллические решетки, то это также линия начала полиморфного превращения; ав - линия конца распада β-твердого раствора с образованием α-твердого раствора. Так как β-твердый раствор и α-твердый раствор имеют различные кристаллические решетки, то это также линия конца полиморфного превращения.

38

Ж + β

Тпл.А

β

Тп.Аа А α А β

Рис. 2.6. Диаграмма состояния сплавов образующих твердые растворы с неограниченной растворимостью один из компонентов, которых имеет две полиморфные модификации

В области существования β-твердого раствора для компонента В и компонента А в β-модификации выполнены условия образования твердых растворов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии. А именно: компоненты имеют одинаковые по типу (изоморфные) кристаллические решетки; различие в размерах атомов незначительно < 15%; атомы компонентов имеют близкое строение внешней электронной оболочки.

Если произойдет полиморфное превращение компонента А и его переход в α-модификацию, то условие изоморфности кристаллических решеток компонентов будет нарушено и существование неограниченной растворимости компонентов в

39

твердом состоянии станет невозможным. Именно этот факт и отражен на диаграмме (рис. 2.6).

Процесс распада твердого раствора идет в интервале температур и сопровождается диффузионным перераспределением компонентов между фазами.

1.2.6. Диаграмма состояния сплавов, у которых высокотемпературные полиморфные модификации компонентов образуют твердые растворы с неограниченной растворимостью, а низкотемпературные имеют ограниченную растворимость.

Данная диаграмма показана на рис. 2.7.

Рассмотрим полиморфные превращения чистых компонентов А и В.

ТпА – температура полиморфного превращения чистого компонента А. При температуре ТпА происходит смена типа кристаллической решетки чистого компонента А. Ниже температуры ТпА существует А α – α-модификация чистого компо-

нента А. Выше температуры ТпА существует А β – β- модификация чистого компонента А вплоть до температуры плавления ТплА чистого компонента А.

ТпВ – температура полиморфного превращения чистого компонента В. При температуре ТпВ происходит смена типа кристаллической решетки чистого компонента В. Ниже темпе-

ратуры ТпВ существует В α – α-модификация чистого компонента В. Выше температуры ТпВ существует Вβ – β- модификация чистого компонента В вплоть до температуры плавления ТплВ чистого компонента В.

На базе полиморфных модификаций компонентов А и В образуются соответствующие твердые фазы.

Фазы присутствующие на диаграмме: жидкость; β- твердый раствор – это твердый раствор с неограниченной рас-

40