Значение диаграмм состояния.

Диаграмма состояния - это графическое изображение состояния сплавов в системе координат ''температура - концентрация". Она показывает, как с изменением температуры и химического состава изменяются структура, количество фаз и их концентрация.

Умея анализировать диаграмму состояния, можно представить полную картину кристаллизации сплава, процессы перекристаллизации сплава в твердом состоянии, а так­же определить оптимальную температуру заливки, оценить его жидкотекучесть, склон­ность к ликвации. Диаграмма позволяет установить виды и температурные режимы тер­мической обработки.

Основные понятия.

Вещества (элементы), образующие сплавы, называют компонентами. Их принято обозначать в общем случае буквами А, В, С и т.д. В сплавах компоненты различно взаи­модействуют друг с другом в твердом состоянии, образуя те или иные фазы. Фазой назы­вают однородную по составу и атомно-кристаллическому строению часть сплава.

При сплавлении двух компонентов могут образовываться твердые растворы, хими­ческие соединения и смеси.

Если атомы компонента В размещаются (растворяются) в кристаллической решет­ке компонента А, не изменяя ее типа, то это будет твердый раствор - , а при растворении компонента А в компоненте В - твердый раствор - . Растворимость компонентов А и В может быть неограниченной и ограниченной. Если компоненты образуют твердый огра­ниченный раствор, то его предельная концентрация как правило изменяется с изменением температуры.

Химические соединения - это фазы, имеющие более сложную кристаллическую решетку, чем сплавляемые компоненты. Они имеют постоянный химический состав, отве­чающий формуле А_m В_n.

Если в химическом соединении растворяется один из исходных компонентов А или В, то соответствующие твердые растворы на базе химического соединения также как обычные твердые растворы обозначают буквами греческого алфавита , ,,. и т.д. В сложных диаграммах образующиеся в системе химические соединения можно условно рассматривать как самостоятельные компоненты для оценки характера протекающих в сплавах превращений.

Рентгеновский анализ твердых растворов или химических соединений показывает только один тип кристаллической решетки, и лишь спектральный или химический анали­зы могут зафиксировать наличие двух компонентов.

При кристаллизации многих сплавов, образуются структуры, состоящие из не­скольких фаз. Фазы, образующие эти структуры, обнаруживаются под микроскопом, а

рентгенограмма такого сплава показывает наличие разных кристаллических решеток. Та­кая структура представляет собой смесь фаз. Сплавы с неоднородной (гетерогенной) структурой могут образовываться, когда компоненты не обладают полной взаимной рас­творимостью в твердом состоянии, образуя структуры, состоящие из:

а) насыщенного твердого раствора и избыточных кристаллов чистого компонента;

б) двух насыщенных твердых растворов;

в) насыщенного твердого раствора и кристаллов химического соединения.

Так, избыточные кристаллы чистого компонента или химического соединения час­то присутствуют в структуре сплавов, располагаясь в виде обособленных включений по границам зерен твердого раствора или в объеме самих зерен.

В ряде случаев в процессе кристаллизации сплавов может образоваться смесь фаз эвтектического и эвтектоидного состава. Они могут быть образованны кристаллами чис­тых компонентов (при отсутствии взаимной растворимости), твердыми растворами или химическими соединениями, а также различными комбинациями этих трех фаз.

Типовые диаграммы двойных систем и кривые охлаждения сплавов.

Диаграммы состояния характеризуют превращения, протекающие при медленном охлаждении (нагревании) сплавов. В зависимости от состояния сплавов они протекают различно. Следовательно, разные сплавы могут иметь разные по характеру кривые охлаж­дения, построенные в системе координат "температура - время".

На рис. 1 - 4 приведены основные типы диаграмм состояния и кривые охлаждения сплавов.

Кристаллизация чистых металлов происходит при постоянной температуре с оп­ределенными тепловыми эффектами, вследствие чего на кривых охлаждения при темпера­туре затвердевания обнаруживается остановка (горизонтальный участок). На диаграммах состояния кристаллизация чистых компонентов происходит при температурах, которым соответствуют точки А и В на осях координат (рис. 1а). В двухкомпонентных системах первичная кристаллизация может протекать при постоянной температуре только в сплавах эвтектического состава (рис. 1а, сплав П). Кристаллизация всех остальных сплавов проис­ходит в интервале температур. Так как образование кристаллов из жидкости идет с выде­лением тепла, то этому процессу соответствует замедление охлаждения сплава и измене­ние наклона кривой охлаждения. Поэтому начало кристаллизации характеризуется пере­гибом на кривой охлаждения.

В сплавах, компоненты которых не растворимы друг в друге в твердом состоянии, сначала в интервале температур идет кристаллизация одного из чистых компонентов, из­быточного по отношению к эвтектическому составу. Затем при постоянной температуре кристаллизация заканчивается образованием из оставшейся жидкости эвтектической сме­си кристаллов по реакции:

Ж-->А + В (рис. 1а)

В сплавах с полной растворимостью компонентов кристаллизация во всех случаях идет в интервале температур с образованием структуры однородного твердого раствора (рис. 16).

В сплавах с ограниченной растворимостью компонентов (рис. 1в) кристаллизация начинается с выделения избыточных кристаллов твердого раствора а или |3 и протекает в интервале температур. Заканчивается этот процесс при постоянной температуре (линия дск) образованием эвтектики, состоящей из кристаллов твердых растворов по реакции:

Ж--> α+β

В системе с перитектическим превращением (рис. 1г) на кривой охлаждения сплава 1 в начале наблюдается перегиб, соответствующий началу кристаллизации а - раствора, а затем горизонтальный участок, отвечающий перитектическому превращению:

Ж + α-->β

Рис. 1.

Диаграмма состояния и кривые охлаждения сплавов, не имеющих превращений в твердом состоянии.

а) - отсутствие растворимости, б) - полная растворимость,

в) - ограниченная растворимость с образованием эвтектики,

г) - ограниченная растворимость с образованием перитектики.

Это превращение заключается в том, что выделившиеся ранее кристаллы а - рас­твора взаимодействуют при постоянной температуре (линия вcд) с оставшейся жидко­стью, образуя новую фазу- твердый раствор. При этом в сплаве I после окончания пери-тектического превращения в структуре частично сохраняются первичные кристаллы а . В сплаве II (рис. 1г) после перитектического превращения остается неизрасходованная жид­кость, которая при дальнейшем охлаждении превращается в кристаллы  - раствора. Это превращение тоже сопровождается тепловым эффектом, отражающимся на кривой охлаж­дения (кривая II).

Кристаллизация сплавов, компоненты которых образуют устойчивое химическое соединение (рис. 2а) или твердый раствор на основе химического соединения (рис. 26), происходит также, как в рассмотренных выше диаграммах. Исключения составляют спла­вы, соответствующие по составу чистым химическим соединениям (рис. 2а, б, точка д), которые кристаллизуются при постоянной температуре подобно чистым металлам. Каж­дую диаграмму с устойчивым химическим соединением можно рассматривать, как ком­бинацию из простых диаграмм, где вторым компонентом условно считают образовавшее­ся в системе химическое соединение.

Процесс кристаллизации в сплавах, компоненты которых образуют неустойчивое химическое соединение (рис. 2в), происходит следующим образом. Сначала из жидкости выделяются кристаллы одного из компонентов. Моменту начала этого выделения соответ­ствует точка перегиба на кривой охлаждения. Затем следуют два изотермических

превращения, которым соответствуют два горизонтальных участка на кривой охлаждения. Пер­вый участок - это образование химического соединения по перитектической реакции А + Ж -> A_mB_n, второй - эвтектическое превращение

Ж --> A_mB_n + В.

Вторичная кристаллизация, т.е. превращения в твердом состоянии (полиморфные превращения, полный или частичный распад твердого раствора образование или распад неустойчивых химических соединений) и магнитные превращения также сопровождаются тепловым эффектом. Однако, величина теплового эффекта при этом меньше, чем при пер­вичной кристаллизации.

Рис. 2. Диаграмма состояния и кривые охлаждения сплавов, не имеющих превращений в твердом состоянии и образующих химические соединения.

а) - при отсутствии растворимости, б) - при ограниченной растворимости, в) -обра­зование химического соединения, неустойчивого при высоких температурах.

В чистых металлах превращение в твердом состоянии (полиморфное) происходит при постоянной температуре (рис. 3 а,б,в, точка m). В сплавах превращения в твердом со­стоянии также могут протекать при постоянной температуре в следующих случаях.

1) В сплавах-смесях при полиморфном превращении компонентов или образован­ного ими химического соединения (рис. За, сплав I). На диаграмме состояния этим пре­вращениям соответствует горизонтальная линия, а на кривой охлаждения - изотермиче­ская остановка.

2) При эвтектоидном превращении, в результате которого происходит полный рас­пад твердого раствора и образование смеси фаз с постоянной концентрацией. Например, на (рис. 4 б, в) в точке "с" твердые растворы при постоянной температуре распадаются на эвтектодную смесь кристаллов компонентов А и В. Точка ''с'' в этом случае называется эвтектоидной точкой, а соответствующий ей сплав - эвтектоидным сплавом. Если состав сплава отличается от эвтектоидного, то сначала следует частичный распад с выделением из твердого раствора новой фазы, например, кристаллов чистого компонента (рис. Рис.4б,в, сплав I). Далее оставшийся твердый раствор при постоянной температуре пре­вращается в эвтектоидную смесь точно такого же состава, как и в эвтектоидном сплаве. В этом случае начало частичного распада характеризуется точкой перегиба на кривой охла­ждения, а эвтектоидный распад - горизонтальным участком.

3) При образовании химических соединений в твердом состоянии или упорядочен­ных фаз только сплав, соответствующий концентрации точке "а" (рис. 4г), будет иметь площадку (горизонтальный участок) на кривой охлаждения.

Во всех остальных случаях превращения в твердом состоянии протекают в интер­вале температур. Соответствующие линии на диаграмме состояния имеют наклон и могут показывать или полиморфное превращение твердого раствора (рис. 3 б и в) или частичный распад твердого раствора (рис. 3г и 4а). Началу этих превращений на кривых охлаждения соответствуют точки перегиба.

Рис. 3.