2.2. Диаграммы состояния двойных сплавов

 

При установлении режимов горячей обработки сплавов (прокатки, ковки, штамповки, прессования и др.), термической обработки (отжига, закалки, нормализации и др.) необходимы сведения о превращениях структуры, ее количественных и качественных изменениях при изменении температуры. Для оценки свойств сплава важно знать не только структуру фаз, но и доли массы, которую они занимают.

Если в твердом состоянии при изменении температуры не происходит изменений в строении сплава, то термическая обработка в большинстве случаев теряет смысл.

Графическую зависимость состояния сплавов определенной системы от концентрации компонентов (химического состава) и температуры устанавливают диаграммы состояний.

По диаграмме можно определить, при какой температуре происходит затвердевание сплава, какие превращения происходят при нагреве и охлаждении, количественный и качественный состав фаз и др.

Диаграмма двухкомпонентного сплава строится в двух измерениях: температура – концентрация (рис. 17). По оси ординат откладывается температура, а по оси абсцисс – концентрация. Общее содержание компонентов в любом сплаве составляет 100 %. Левая крайняя точка А п о оси концентраций соответствует 100 % содержанию компонента А. Процентное содержание второго компонента откладывается по этой оси слева направо. Правая крайняя точка В соответствует 100 % содержанию второго компонента В. Каждая промежуточная точка на оси абсцисс соответствует определенному содержанию сплава. Например, в точке С сплав состоит из 40 % компонента В и 60 % компонента А. В точке Д – 80 % компонента В и 20 % компонента А, и т.д. Следовательно, по мере удаления от точки А увеличивается количество компонента В и наоборот. Ось ординат показывает изменение температуры и каждая точка на оси (например, точка Е) соответствует определенному фазовому состоянию рассматриваемого сплава при определенной температуре (ТЕ).

  

2.2.1. Порядок построения диаграмм

Диаграммы состояния обычно строятся по экспериментальным данным термического анализа и исследованию структур сплавов в твердом состоянии.

Из исследуемых компонентов изготавливается серия сплавов разного химического состава и для каждого из них строится кривая охлаждения. Температура измеряется обычно термопарой (рис. 18). В нагревательное устройство 1 помещается тигель 2, в котором находится исследуемый сплав. После его расплавления в тигель погружается горячий спай термопары 3 и производится медленное охлаждение. Через определенные промежутки времени производится фиксация температуры и строится кривая охлаждения (рис. 19). Из рисунка видно, что на кривой имеется две характерные точки: t₁ и t₂. При t₁падение температуры сплава замедляется. Это свидетельствует о том, что начался процесс с выделением такого количество тепла, которое частично компенсирует тепло, отводимое в окружающую среду. При температуре t₂ выделение тепла идет настолько интенсивно, что компенсирует потери в окружающее пространство полностью.  В данном случае при температуре t₁ начинается кристаллизация сплава, а при температуре t₂ заканчивается. Эти температуры называются критическими температурами или критическими точками.

 

Рис. 18. Схема установки для построения кривых охлаждения: 1 – нагревательное устройство; 2 – тигель;3 – термопара; 4 – гальванометр	Рис. 19. Кривая охлаждения сплава

 

Рассмотрим построение диаграммы на конкретном примере. Пусть имеется сплав состоящий из двух компонентов А и В, которые неограниченно растворимы в жидком состоянии, но в твердом взаимно не растворимы и не образуют друг с другом химических соединений. Из этих двух компонентов создана серия сплавов различного химического состава и для них получены критические температуры начала (t₁) и конца (t₂) кристаллизации (табл. 1).

 

По данным табл. 1 строятся кривые охлаждения каждого сплава (рис. 20, а). Верхние точки кривых (1,1') соответствуют температурам начала затвердевания сплавов и называются температурами ликвидуса. Нижние точки (2,2') соответствуют температурам конца затвердевания и носят название температур солидуса.

При построении диаграммы состояния сплавов на планшет в координатах «температура – концентрация» наносятся значения критических температур для каждого исследуемого сплава (рис. 20, б). Затем соединяя точки начала кристаллизации получают линию ликвидус (СДЕ), а при соединении точек конца кристаллизации – линию солидус (FДК). Таким образом, линии ликвидус и солидус представляют собой семейство точек соответствующих началу и концу кристаллизации многочисленных сплавов с различным содержанием компонентов. Выше температур, образующих линию ликвидус все сплавы данной системы находятся в жидком состоянии, а ниже линии солидус – в твердом. При температурах между этими линиями сплавы находятся в полужидком состоянии, т.е. в жидком расплаве находятся твердые фазы.

Таблица 1