4.5. Диаграмма состояния для сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состоянии, с перитектикой

На рис. 4.5 показана диаграмма состояния для сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состояния с перитектическим превращением.

Линия АСВ – линия ликвидус; линия АDEВ – линия солидус; линия CDE – линия перитектического превращения. Перитектическое превращение заключается в том, что жидкость реагирует с ранее выпавшими кристаллами и образует новый вид кристаллов.

Рассмотрим кристаллизацию сплава Ι: при понижении температуры в точке 1 происходит выпадение осадков β-раствора, при достижении перитектической горизонтали CDE состав жидкости отвечает точке C, а состав кристаллов – точке E. Обе эти фазы реагируют и дают третью фазу α, концентрация которой определяется точкой D.

Перитектическое превращение происходит по следующей реакции:ЖС + βE → αD.

Для сплава I перитектическая реакция не приводит к полному затвер-деванию, так как наряду с вновь образовавшейся фазой α сохраняется

жидкая фаза:ЖC + βE → αD + ЖC.

Полное затвердевание сплава произойдет в точке3, структура сплава будет однофазная.

Для сплава за точкой С перитектическая реакция заканчивается образованием новой α–фазы, но остается избыток β-фазы:ЖC + βE → αD + βE .

Структура сплава состоит из кристаллов двух типов α- и β-твердых растворов. Получающие смеси характеризуются тем, что фаза, выделившаяся ранее (β-фаза), окружена фазой, выделившейся позднее.

Диаграммы эвтектического типа

За исключением небольшого числа компонентов, образующих непрерывные ряды твердых и жидких растворов, большинство металлов ограниченно растворяются друг в друге. Поэтому, в системах таких компонентов области ограниченных твердых растворов разделяются двухфазными областями смесей этих твердых растворов. Такие области могут иметь системы с эвтектическим равновесием (рисунок 3.3.1).

Рисунок 3.3.1 - Диаграмма состояния системы эвтектического типа с переменной ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии:

а – микроструктура сплава 1; б – микроструктура сплава 2

На диаграмме эвтектического типа с переменной ограниченной растворимостью компонентов друг в друге верхняя линия Т_АEТ_В – линия ликвидуса, Т_АMENТ_В – линия солидуса. Важнейшими линиями этой системы являются: Мm – кривая ограниченной растворимости компонента В в a-твердом растворе и Nn – кривая ограниченной растворимости компонента А в b-твердом растворе. Область Т_АMmА – область твердого раствора компонента В в А (a-фаза), область Т_ВNnB – область твердого раствора компонента А в В (b-фаза). Область mМЕNn – область двухфазного состояния (a + b).

Кривые ликвидус пересекаются в точке E (или e), которая называется эвтектической точкой. Горизонтальная линия MEN, проходящая через эвтектическую точку, называется эвтектической линией или линией эвтектики, она характеризует эвтектическое равновесие L_E↔a_M + b_N. Сплавы, фигуративная линия которых пересекает горизонталь МЕ, называют доэвтектическими, а сплавы, которые пересекают горизонталь ЕN – заэвтектическими.

Проследим процессы формирования структуры сплавов при кристаллизации и превращениях в твердом состоянии. При температуре выше линии ликвидуса все сплавы диаграммы находятся в состоянии однородного жидкого раствора.

В сплаве 1 (рисунок 3.3.1) при понижении температуры от точки 1 до точки 2 происходит кристаллизация a-твердого раствора L→a, точно также, как и в случае неограниченных твердых растворов. Ниже солидуса сплав 1 охлаждается без изменения фазового состава. Структура однофазного сплава при комнатной температуре представлена одной структурной составляющей – кристаллами a-твердого раствора (рисунок 3.3.1,а).

Кристаллизация сплава 2 происходит аналогично сплаву 1. Ниже температуры точки 2 сплав находится в состоянии однородного a-твердого раствора. В точке 3 твердый раствор достигает предела растворимости для данной температуры и при дальнейшем охлаждении, в связи с уменьшением растворимости компонента B в А, из твердого раствора должен выделяться избыток компонента В. Однако в данной системе компонент В может в себе также растворять компонент А, образуя твердый раствор b. Поэтому избыток компонента В в сплаве 2выпадает в виде кристаллов b-фазы. При этом избыточная b-фаза выделяется в равновесных условиях в форме ободков по границам зерен. При охлаждении от температуры точки 3 до 4 состав a-твердого раствора будет изменяться по линии 3m, а состав выделяющегося твердого раствора b по линии qn. Соответственно изменяется и относительное количество фаз a и b в сплаве. Количество b-фазы при температуре точки f по правилу рычага будет равно:   , количество a-фазы   .

Кристаллы фаз, выделяющиеся при превращениях в твердом состоянии, называются вторичными. Они имеют размеры значительно меньше первичных.

Структура сплава 2 фазового состава (α + β) при комнатной температуре содержит две структурные составляющие: первичные кристаллы α-твердого раствора, составляющие основу сплава и вторичные кристаллы β-твердого раствора, располагающиеся по границам зерен (рисунок 3.3.1, б).

Рассмотрим превращения при охлаждении доэвтектического сплава (рисунок 3.3.2 а). От температуры точки 1 до точки 2 в сплаве происходит выделение первичных кристаллов a-твердого раствора. Состав a-фазы в интервале кристаллизации изменяется по линии 1’-a, жидкости – по линии 1-е. На термической кривой охлаждения сплава появляется выпуклый участок, как результат выделения скрытой теплоты кристаллизации.

При эвтектической температуре (точка 2) в сплаве остается некоторое количество жидкости, равное   , состав которой отвечает точке е, т.е. жидкость предельно насыщена как компонентом В, так и компонентом А.

В связи с этим при постоянной температуре t_e жидкость распадается на физико-химическую смесь фаз L_е →(a_а + b_b)_э, т. е. в сплаве происходит эвтектическая кристаллизация с образованием колоний эвтектики, состоящей из кристаллов a и b твердых растворов, состав которых будет соответствовать точкам а и b. На термической кривой охлаждения сплава появляется изотерма, свидетельствующая о выделении значительной теплоты кристаллизации при эвтектическом превращении. По правилу фаз Гиббса С = К – Ф + 1= 2 – 3 + 1 = 0, т.е. эвтектическое равновесие нонвариантно.

Эвтектическая кристаллизация – это процесс образования и совместного роста разветвленных, регулярно чередующихся кристаллов α и β-фаз, составляющих эвтектическую колонию. Каждая эвтектическая колония представляет собой двухфазный бикристалл. Ранее выпавшие первичные кристаллы α-фазы оказываются окруженными колониями тонко-дифференцированной эвтектической физико-химической смеси двух фаз (α + β)_э – эвтектикой.

Таким образом, структура доэвтектического сплава ниже линии эвтектики будет состоять из первичных кристаллов a-твердого раствора и эвтектики (a + b)_э.

С понижением температуры ниже эвтектической, в соответствии с представленной диаграммой, уменьшается растворимость компонента В в α-твердом растворе и компонента А в β-твердом растворе, а концентрация a и b твердых растворов изменяется по линиям аа₁ и bb₁. Соответственно, изменяется и относительное количество a и b фаз.

Поэтому доэвтектический сплав (рисунок 3.3.2 а) при охлаждении ниже линии эвтектики претерпевает фазовое превращение в твердом состоянии, в результате которого из первичных и эвтектических кристаллов α-фазы происходит выделение вторичных кристаллов β-фазы, а из эвтектических кристаллов β-фазы происходит выделение вторичных кристаллов α-фазы. На кривой охлаждения сплава ниже горизонтальной площадки имеется небольшой перегиб, что свидетельствует о выделении при фазовом переходе α↔β теплоты превращения. Выделения вторичных кристаллов из составляющих эвтектики структурно не проявляются. В результате, структура доэвтектического, двухфазного (a и b) сплава, при комнатной температуре состоит из первичных кристаллов a-твердого раствора, эвтектики (a + b)_э и вторичных кристаллов b-фазы.

 

б

Рисунок 3.3.2 - Диаграмма состояния системы эвтектического типа с ограниченной переменно й р растворимостью в твердом состоянии: а - доэвтектический сплав; б - эвтектический сплав.