Диаграммы состояния двухкомпонентных сплавов

Любое изме­нение химического состава сплава влечет за собой изменение фи­зических параметров: температуры, давления и структуры.

Изме­нение этих параметров на границах фаз происходит скачкообраз­но или замедленно.

В практике металловедения для определения температур, дав­ления, структуры и взаимодействия сплавляемых компонентов применяют графики — диаграммы состояния сплавов.

Для этого нагревают (охлаждают) сплав в закрытом тигле с помощью тер­мопары, по прибору наблюдают поведение этого сплава и по наблюдениям строят соответствующие графики.

На диаграммах состояния отображаются только условия, когда сплав имеет по­стоянные параметры, — равновесие, поэтому в научной литературе диаграммы состояния также называют диаграммами равно­весия.

В связи с тем, что сплавляемые компоненты (металлы и неме­таллы) обладают аллотропией, при нагревании (охлаждении) в сплавах происходят аллотропные изменения.

Аллотропные изме­нения можно наблюдать при лабораторных исследованиях с по­мощью термического метода, а иногда визуально (цвет сплава становится ярче или, наоборот, тускнеет, или длительное время остается постоянным).

Любое изменение в металле при нагревании (охлаждении) ха­рактеризуется определенной температурой, которая называется критической температурой. Критические температуры на прямой отражаются соответствующими точками, которые называются кри­тическими точками.

Если рассматривать любой металл или сплав в одном измерении (температура нагрева), то графическая харак­теристика будет отображена в виде вертикальной прямой, на ко­торой указывают критические температуры (точки).

Если состоя­ние металла или сплава рассматривать в двух измерениях (темпе­ратура нагрева (охлаждения) и время нагрева (охлаждения), то график будет изображен в двух координатах (ось ординат и ось абсцисс).

Рассмотрим состояние чистого железа при нагре­вании и охлаждении.

На рис 2. приведены критические темпера­туры чистого железа при нагревании (охлаждении).

Железо имеет следующие критические точки (температуры): 768; 910; 1 392 и 1 539 °С.

При температуре 910 °С Fe- (a-железо) переходит в Fe- (-железо).

При температуре 1 392 °С Fe- переходит в Fe- (-железо).

При температуре 1 539 °С Fe- начинает медленно расплав­ляться с поглощением энергии (температуры).

При всех критичес­ких температурах на диаграммах показаны задержки перекристал­лизации (горизонтальные участки).

При охлаждении железа процесс перекристаллизации происходит в обратном порядке

Рис. 2. Кривые нагрева и охлаждения железа:

t — температура;

 — время

Температуру нагрева (охлаждения) откладывают по оси ординат, по оси абсцисс откладывают массовую долю сплав­ляемых компонентов (концентрация).

Для примера рассмотрим диаграмму состояния двухкомпонентного сплава свинец — сурьма (рис. 3.).

На оси абсцисс слева берем 100 % свинца (РЬ), справа — 100 % сурьмы (Sb). Свинец и сурьма в жидком состоянии неограниченно растворяются друг в друге, в твердом состоянии — образуют механическую смесь сплавляемых компонентов.

При нагревании (охлаждении) сплава от твердого состояния до температуры плавления (а при охлаждении от жидкого состоя­ния до температуры затвердевания) в сплаве происходит образо­вание механических смесей (эвтектика) и расплавление при раз­личных температурах.

Возьмем чистый свинец.

При нормальной температуре и до тем­пературы 245 °С в свинце никаких изменений внутреннего строе­ния не происходит, и свинец будет иметь структуру РЬ- (-свинец).

При температуре 245 °С Pb- перестраивается в Pb- (-свинец). Эта структура остается до температуры 327 °С.

При температуре 327 °С свинец начинает расплавляться. При расплавлении за счет поглощения энергии (температуры) температура свинца остается постоянной — 327 "С. При охлаждении свинца процесс происхо­дит в обратном порядке.

При нагревании сурьмы до температуры 245 °С никаких изме­нений в металле не происходит. Структура сурьмы будет Sb- (-сурьма).

При температуре 245 °С Sb- переходит в Sb-. При темпе­ратуре 631° С сурьма начинает расплавляться.

В связи с тем, что при расплавлении происходит большое поглощение теплоты тем­пература расплавления сурьмы на 8... 10 °С будет ниже.

При охлаж­дении процесс идет в обратном порядке.

Далее рассмотрим по­ведение типовых сплавов свинца и сурьмы:

- 95 % РЬ + 5 % Sb;

-87 % РЬ + 13 % Sb;

-60 % РЬ + 40 % Sb.

Для составления диаграммы состояния двухкомпонентного сплава свинец —сурьма строим кривые нагрева (охлаждения).

При нагревании (охлаждении) 100% РЬ (см. рис. 3, а) при температуре 327 °С на графике будет горизонтальный участок.

При нагревании (охлаждении) сплава 95 % РЬ + 5 % Sb (см. рис. 3, б) при температуре 245 °С на графике будет горизонтальный участок.

Рис. 3. Кривые охлаждения и структуры (а, б, в, д, е), а также диаграмма состояния (г) сплавов свинец —сурьма:

1 — температура ликвидуса;

2 — температура солидуса;

ABC — линия ликвидуса;

DBE — линия солидуса;

Ж — жидкость;

Эвт. — эвтектика

Далее при нагревании (охлаждении) при температуре 300 °С будет перегиб кривой, при этой температуре сплав начнет расплавляться (при нагревании) или кристаллизоваться (при охлаждении).

При нагревании (охлаждении) сплава 87 % РЬ + 13 % Sb (см. рис. 3, в) при температуре 245 °С также будет горизонтальный участок. При этой температуре сплав начинает плавиться и заканчивает расплав­ление при температуре 245° С.

При нагревании (охлаждении) сплава 60 % РЬ + 40 % Sb (см. рис.3 д) до температуры 245 °С в структуре сплава никаких из­менений не происходит. При температуре 245 °С свинец начинает расплавляться — на графике будет горизонтальный участок.

При дальнейшем нагревании (охлаждении) при температуре 350° С сплав расплавляется (при нагревании) или начинает кристалли­зоваться (при охлаждении).

При нагревании (охлаждении) 100% сурьмы (см. рис. 3, е) до температуры 631 °С сплав будет иметь твердую фазу, и при температуре 631 ° С на графике будет горизонтальный участок, сурьма начинает расплавляться.

За счет поглощения энергии рас­плавление сурьмы происходит при температуре несколько ниже 631 °С.

Для наглядного изображения характеристики сплава свинец — сурьма строим следующий график.

На оси ординат откладываем температуры нагрева (охлаждения) от нормальной температуры.

На этой оси будем откладывать критические точки для 100 % свинца. На оси абсцисс откладываем массовую долю в сплаве свинца и сурьмы. Справа проводим ось температур для 100 % со­держания сурьмы.

Далее на оси ординат проектируем критичес­кие точки, полученные в результате нагрева вышерассмотренных сплавов.

Как видим из графиков, первое фазовое изменение сплавов происходит при температурах 245° С.

Проводим горизонтальную прямую DE, соответствующую этой температуре. На оси темпера­тур свинца проектируем точку, соответствующую температуре 327 °С — температуре плавления чистого свинца. Полученную точ­ку обозначим буквой А.

На оси температур сурьмы проектируем точку, соответствую­щую 631 °С — температуре плавления сурьмы. Полученную точку обозначим буквой С.

На оси абсцисс из точки, соответствующей 87% РЬ и 13% Sb, восстанавливаем перпендикуляр (пунктиром) до горизонтальной прямой DE (температура расплавления данно­го сплава). Точку А (критическую температуру 327 °С) на оси ор­динат соединяем с критической точкой, лежащей на горизон­тальной прямой, соответствующей температуре плавления дан­ного сплава (87% РЬ + 13% Sb). Полученную точку обозначим буквой В.

На оси абсцисс из точки, соответствующей 95 % РЬ и 5 % Sb, восстанавливаем перпендикуляр до пересечения с отрезком АВ. о данной точке имеем критическую температуру 300 °С — темпе­ратуру плавления (затвердевания) сплава 95 % РЬ + 5 % Sb.

На оси абсцисс из точки, соответствующей 60 % РЬ и 40 % Sb, восстанавливаем перпендикуляр до пересечения с отрезком ВС, получаем точку, которая соответствует критической температуре 150 °С — плавления (затвердевания) сплава 60% РЬ + 40 % Sb.

Таким образом, мы получили диаграмму состояния двухкомпонентного сплава свинец —сурьма.

Все сплавы РЬ — Sb независи­мо от массовой доли компонентов до температуры 245 °С имеют твердую фазу — механическая смесь.

Сплав по линии DBE начи­нает медленно расплавляться при нагревании и затвердевает при охлаждении.

Эту линию называют линией солидуса (от лат. solidus — твердый).

По линии ABC сплавы расплавляются при нагревании, при охлаждении начинают медленно кристаллизоваться. Эта ли­ния называется линией ликвидуса (от лат. liquidus — жидкий).

Между линиями DBE и линией ABC сплавы находятся в полужидком со­стоянии.

Сплав с 87% РЬ и 13% Sb имеет самую низкую температуру плавления (затвердевания). Этот сплав, так же как и чистые ме­таллы, плавится при одной температуре.

Такие сплавы получили название эвтектических сплавов.

Эвтектика — мелкодисперсная механическая смесь двух ком­понентов, образовавшаяся при температуре плавления (кристал­лизации), значительно ниже температуры плавления сплавляе­мых компонентов в процессе затвердевания.

Левее эвтектики сплавы называются доэвтектическими, правее — заэвтектическими.

Рассмотрим фазовые состояния сплава свинец — сурьма.

Выше линии ABC сплав находится в жидком состоянии (жидкая фаза), между линией АВ и DB — в полужидком (РЬ + жидкость).

Ниже лини DB сплав состоит из механической смеси свинца и эвтек­тики. Между линиями ВС и BE сплав будет иметь полужидкую фазу и кристаллы сурьмы.

Ниже линии BE сплав будет состоять из механической смеси (эвтектика и сурьма).

Диаграмма состояния сплава Pb —Sb относится к типу диа­грамм, в которых сплавляемые компоненты неограниченно рас­творяются в жидком состоянии и не растворяются в твердом со­стоянии, образуя механические смеси (эвтектика).

Анализируя диаграмму состояния сплавов, можно изучить сле­дующие характеристики:

- температуру плавления (кристаллизации),

- виды структур сплавов,

-способность образовывать ликвацию,

-ре­жимы термообработки

- обработки давлением.

Типовые диаграммы состояния:

• диаграммы состояния первого рода — для сплавов, компо­ненты которых полностью растворяются в жидком состоянии, огра­ниченно растворяются в твердом состоянии и образуют механи­ческие смеси (Pb —Sb, Sn — Zn и др.);

• диаграммы состояния второго рода — для сплавов, компо­ненты которых полностью растворяются в жидком и твердом со­стоянии с образованием твердых растворов (Ag— Au, Си —Ni; Fe — V и др.);

• диаграммы состояния третьего рода — для сплавов, компо­ненты которых неограниченно растворяются в жидком состоянии, практически не растворяются в твердом состоянии и образуют механические смеси (эвтектика) с полиморфным превращением (первичным и вторичным) структурно-фазового состава;

• диаграммы состояния четвертого рода — для сплавов, компо­ненты которых в жидком состоянии растворяются друг в друге, а в твердом состоянии образуют устойчивые или неустойчивые хи­мические соединения.