Фазовые диаграммы

• Чем отличается белый чугун от серого?

Свойства сплавов весьма сложно зависят от их компонентного состава, т. е. от массовой доли компонентов в нём. Дело в том, что свойства сплава непосредственно зависят не от компонентного, а от фазового состава.

ФАЗОЙ называют однородную по химическому составу и структуре часть

системы, отделённую от других частей поверхностью раздела, на кото- рой свойства меняются скачком.

Например, жидкая вода это одна фаза, а твёрдый лёд — другая. Фазы не обязательно должны различаться по агрегатному состоянию. Например,

всмеси подсолнечного масла с водой есть фаза масла и фаза воды.

Всплавах (как и в других твёрдых смесях) очень часто одновременно существует несколько твёрдых фаз, каждая из которых влияет на свойства сплава. С одной такой системой вы уже знакомы. Это белый чугун, в ко-

тором есть фаза железа и фаза цементита Fe3C. Цементит обволакивает зёрна железа. Он твёрже железа и при таком расположении придаёт чугуну твёрдость и хрупкость. Если бы в чугуне, наоборот, зёрна цементита были бы вкраплены в фазу железа, то такая система была бы гораздо более мягкой. Фазы в сплавах могут быть самые разные — чистые вещества, твёрдые растворы, интерметаллические соединения.

ФАЗОВАЯ ДИАГРАММА показывает зависимость фазового состава от ус-

ловий (в простейшем случае — температуры и состава сплава).

В самых распространённых сплавах двух металлов жидкие компоненты растворяются друг в друге неограниченно, а твёрдые — плохо. В их фазовых диаграммах наблюдается эвтектическая точка. Она соответствует

массовой доле сплава с минимальной температурой плавления. В сплаве олова со свинцом (рис. 53) её координаты — массовая доля олова 61,9 % и температура 183 °С. Это значит, что если мы приготовим сплав олова с

цинком в соотношении 62 : 38, то он будет плавиться при температуре 183 °С, а расплав — кристаллизоваться при той же температуре, причём

будут выделяться кристаллы олова и кристаллы свинца (вернее, твёрдого раствора олова в свинце).

271

Рис. 53. Фазовая диаграмма системы олово—свинец: a — твёрдый раствор олова в свинце, b — твёрдый раствор свинца в олове

Если расплавить чистое олово и погрузить в расплав некоторое количество свинца, то твёрдый свинец растворится в расплавленном олове. При температуре плавления олова может получиться расплав, содержащий до 50 % свинца.

Если состав сплава будет отличаться от эвтектического, то при остывании его расплава сначала выделяется тот компонент, который в избытке по сравнению с эвтектическим. Например, при охлаждении расплава оло- во—свинец в соотношении 40 : 60 до 255 °С начнёт кристаллизоваться

свинец (точнее, твёрдый раствор олова в свинце), который будет находиться в расплаве смеси олова и свинца. При этом массовая доля олова в расплаве будет расти, а температура, при которой кристаллизуется сплав, — уменьшаться. Так будет происходить, пока расплав не станет эвтектическим: тогда при температуре 183 °С будут беспорядочно кристаллизоваться

и свинец, и олово.

Посмотрите на фазовую диаграмму системы олово—цинк (рис. 54). Какому составу сплава отвечает минимальная температура плавления? Какова эта температура?

272

Рис. 54. Фазовая диаграмма системы олово—цинк

Рис. 55. Фазовая диаграмма системы кальций—магний

Часто бывает, что металлы образуют друг с другом интерметаллические соединения, в которых атомы разных металлов упорядоченно расположены в кристаллической решётке. Например, магний с кальцием образуют интерметаллид CaMg2 (рис. 55). На фазовых диаграммах ему соответствует

273