4.2. Диаграмма состояния

Диаграмма состояния – графическое изображение зависимости температур фазовых превращений в сплавах от их состава.

На рисунке изображена диаграмма состояния двойного сплава. Левая ордината на оси концентраций соответствует содержанию компонента, правая -. В интервале концентраций между чистыми элементами находится твердый раствор сплава, например, состава.

При температурах выше линии ликвидус существует только жидкая фаза. При температурах ниже линии солидус является устойчивым твердый раствор.

Диаграммы состояния строят, как правило, экспериментально. Для этой цели в ходе экспериментов получают кривые охлаждения отдельных сплавов и их перегибы (критические точки) истолковывают как фазовые превращения, имеющие тепловой эффект. Возможен теоретический расчет диаграмм состояния на основе термодинамических данных.

Количественное соотношение фаз в период кристаллизации устанавливают по правилу отрезков. Количество жидкой и твердой фазы в сплаве при температуре и составесоставит:

,

.

Лекция 5. Диаграммы фазового равновесия

5.1. Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии

Это случай образования неограниченных твердых растворов (см. выше).

При кристаллизации сплава состава полученные зерна твердого раствора будут неоднородны по составу (дендритная или внутрикристаллическая ликвация). Чем больше температурный интервал кристаллизации сплава (т.е. разность температур между солидусом и ликвидусом), тем больше проявляется дендритная ликвация.

Для устранения дендритной ликвации сплавы такого типа подвергают диффузионному отжигу (гомогенизации) – нагреву до температуры, лежащей на ниже температуры солидус и длительной выдержке при этой температуре. Диффузия способствует выравниванию состава и структура сплава после диффузионного отжига будет однородной.

5.2. Диаграмма состояния сплавов с полной нерастворимостью в твердом состоянии

Сплавы такого типа представляют собой механическую смесь зерен чистых металлов (,и др.).

Механическая смесь двух или более разнородных кристаллов, одновременно кристаллизующихся из жидкости, называется эвтектикой (от греческого «эв-тэо» - легкоплавящаяся). Температура кристаллизации сплавов эвтектического типа наименьшая по сравнению с любым другим сплавом этой системы.

Сплавы, расположенные левее точки , называютсядоэвтектическими. Сплав, отвечающий составу эвтектики, называется эвтектическим. Сплавы, лежащие правее точки -заэвтектические.

При кристаллизации доэвтектических и заэвтектических сплавов может иметь место явление, называемое ликвацией по удельному весу. Для ее предупреждения сплавы быстро охлаждают и интенсивно перемешивают. По другому варианту в расплав вводят третий компонент, который кристаллизуется первым в виде разветвленных дендритов и механическим путем ограничивает оседание или всплытие фаз.

5.3. Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состоянии

В сплавах данного типа компоненты образуют механические смеси в результате эвтектической или перитектической реакции.

Перитектическим называется превращение, когда при взаимодействии жидкой и твердой фаз при постоянной температуре образуется одна новая твердая фаза (в отличие от эвтектического, когда из одной жидкой фазы одновременно кристаллизуются две твердые фазы).

5.4. Диаграмма состояния сплавов, испытывающих превращения в твердом состоянии

Кроме первичных превращений, связанных с переходом из жидкого состояния в твердое, в этих сплавах также наблюдаются вторичные превращения, происходящие в кристаллическом состоянии при нагреве или охлаждении. Вторичные превращения связаны с изменением растворимости компонентов, аллотропическими превращениями, упорядочением твердых растворов.

Вторичные превращения имеют важное значение на практике, так как обуславливают возможность термической обработки сплавов.

На рисунке представлена диаграмма для случая, когда твердый раствор при охлаждении полностью распадается.