2.8.1 Диаграмма состояния с полной растворимостью в жидком и твердом состоянии

При неограниченной растворимости во время кристаллизации образуется непрерывный ряд твердых растворов. Диаграмма состояния такой системы изображена на рисунке 2.10. Подобную диаграмму имеют системы: Cu – Ni, Fe – Ni, Fe – Cо, Bi – Sb и другие.

Рисунок 2.10 – Диаграмма состояния с образованием непрерывного ряда твердых растворов

Верхняя кривая - линия ликвидуса, отображает в любой точке состав жидкого раствора. Нижняя линия – линия солидуса, отвечает за состав твердого раствора (α). Области выше линии ликвидуса и ниже линии солидуса – однофазные. Область между этими линиями – область двухфазного равновесия жидкости и кристаллов α. При охлаждении сплава 1, достигнув температуры, отвечающей точке 2, начинается кристаллизация α – твердого раствора состава 2^I . По мере охлаждения системы количество твердой фазы увеличивается, а жидкой - уменьшается. Так, в точке 3 количество твердой фазы отвечает участку конноды 3^II – 3, а количество жидкой фазы участку 3^I -3. Затвердевание заканчивается в точке 4, где имеются последние капли жидкости. Процесс кристаллизации сопровождается изменением состава как жидкости по линии ликвидуса (от точки 2 к точке 4^II), так и твердого раствора (от точки 2^I до точки 4).

Следует учесть, что, говоря о равновесии жидкости и твердой фазы при той или иной температуре, мы имеем в виду средний состав как всей выпавшей к этому моменту твердой фазы, так и оставшейся жидкости. В твердом состоянии кристаллы не будут однородны по составу: центральные области кристаллических зерен, закристаллизовавшиеся раньше, будут обогащены более тугоплавким компонентом, В. Однородность достигается за счет протекающей диффузии в твердом состоянии, которая происходит медленно.

Твердые растворы могут давать смеси, в которых состав жидкой и твердой фаз одинаков. Это отражается на диаграмме в виде экстремумов – минимума или, реже, максимума (рисунок 2.11).

Рисунок 2.11 - Диаграмма с образованием минимума на кривых ликвидуса и солидуса при образовании твердых растворов

2.8.2 Диаграмма состояния с ограниченной растворимостью в твердом виде

Весьма часто компоненты, взаимно неограниченно растворимые в жидкой фазе, обладают ограниченной растворимостью в твердом состоянии. При этом возможны два типа соотношений между составами жидкой фазы и выделяющегося из нее твердого раствора и два типа диаграмм.

1. Диаграммы с эвтектическим превращением

Рисунок – 2.12 – Диаграмма состояния системы с ограниченной растворимостью в твердом виде при наличии эвтектического превращения

Область АТ⁰_Аma отвечает однородному твердому раствору В в А (α – твердый раствор). Линия Т⁰_Ае – линия кристаллизации α – твердых растворов. Линия ma – линия предельной растворимости В в А (α – насыщенный твердый раствор) в зависимости от температуры. Линия Т⁰_Аm – линия состава α – ненасыщенного твердого раствора.

Аналогично область Т⁰_ВВbn – область растворов А в В (β – твердый раствор). Линия Т⁰_Ве – начало кристаллизации β – твердого раствора. Т⁰_Вn – линия состава ненасыщенных β – твердых растворов; nb – насыщенных β – твердых растворов.

Проведем охлаждение раствора 1. При понижении температуры в точке 2 жидкий раствор становится насыщенным и начинает кристаллизоваться α – ненасыщенный твердый раствор состава 2^I. По мере охлаждения от точки 2 до точки 3 количество твердого раствора увеличивается, а его состав меняется от точки 2^I до точки «m» и достигает предела растворимости В в А в точке «m». При этом состав жидкой фазы меняется по линии ликвидуса от точки 2 до «е». Раствор состава «е» является насыщенным по отношению к α - и β – твердым растворам (точка «е» принадлежит как линии Т⁰_Ае так и линии Т⁰_Ве), следовательно, из него кристаллизуются одновременно оба твердых раствора, т.е. эвтектика (α + β). Состав α и β в эвтектике отвечает точкам «m» и «n» соответственно.

При дальнейшем охлаждении системы растворимость А в В и В в А уменьшается и идет по линиям mа и nb, показывающим состав твердых растворов α и β (насыщенных).

В этой системе температура кристаллизации растворов всегда ниже температуры кристаллизации чистого компонента, который принимается за растворитель и чей тип кристаллической решетки сохраняется при образовании твердого раствора. Так, α – твердый раствор – это раствор В в А и тип кристаллической решетки вещества А сохраняется. Для β – твердого раствора растворителем является компонент В и его тип кристаллической решетки сохраняется при растворении в нем компонента А.; Т^β < Т⁰_В.

Жидкая фаза любого состава в диаграммах этого типа содержит больше растворенного вещества, чем твердая фаза, т.е. С_В^жидк. > С^α_В и С_А^жидк. > С^β_А.