38.Диаграмма состояния с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Правила коноды. Кристаллизация и структурообразование сплавов.

Рассмотрим построение диаграммы состояния для сплавов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии. Например, экспериментально получены кривые охлаждения компонентов А и В и сплавов I (70 % А и 30 % В), II (50 % А и 50 % В) и III (20 % А и 80 % В) (рис. 3.6, а).Кристаллизация компонента А начинается и заканчивается при постоянной температуре t_A. Аналогично происходит кристаллизация компонента В при температуре t_B. Кристаллизация сплавов I, II и III происходит в интервале температур. Кристаллизация сплава I начинается при температуре t₁ и заканчивается при температуре t₂ с образованием твердого раствора a. Аналогично происходит кристаллизация и двух других сплавов – при температуре t₃начинается и при температуре t₄ заканчивается затвердевание сплава II, а сплава III – при температурах t₅ и t₆. Разница только в интервале температур начала и конца кристаллизации.

Если на оси абсцисс сетки в координатах температура – концентрация (рис. 3.6, б) отметить точками исследованные сплавы и в каждой из этих точек восстановить перпендикуляры, т.е. провести линии сплавов, затем на эти линии, а также на левую и правую ординаты температур, соответствующие компонентам А (левая) и В (правая), перенести найденные критические точки от t_A до t_B и одноименные (имеющие одинаковый физический смысл) критические точки соединить плавными кривыми, то получится диаграмма состояния сплавов А и В с неограниченной растворимостью в твердом состоянии (рис. 3.6, б).

Рис. 3.6. Построение диаграммы состояния сплавов для случая неограниченной растворимости компонентов А и В в твердом состоянии [7]:  а – кривые охлаждения; б – диаграмма состояния

На этой диаграмме кривая t_At₁t₃t₅t_B – кривая начала затвердевания сплавов – линия ликвидуса, а кривая t_At₂t₄t₆t_B – кривая конца затвердевания – линия солидуса.

Рассмотрим процесс кристаллизации какого-либо сплава, например сплава I состава 50 % компонента А и 50 % компонента В по этой диаграмме при очень медленном охлаждении, т.е. полностью в равновесных условиях (рис. 3.7). При температуре t_л начинается кристаллизация и образуются первые кристаллы. На любой диаграмме состояния состав твердой части сплава (состав кристаллов, которые могут находиться в равновесии с жидкостью) при данной температуре показывает линия солидуса. Следовательно, первые образовавшиеся кристаллы имеют состав точки М. При дальнейшем охлаждении, когда сплав достигает, например, температуры t₁, в равновесии с жидкостью уже находятся только кристаллы состава точки Л.

Рис. 3.7. Диаграмма состояния сплавов для случая неограниченной растворимости компонентов А и В в твердом состоянии

Рассмотрим, каким образом ранее образовавшиеся кристаллы состава точки М превращаются в кристаллы состава точки Л. В кристаллах состава М больше компонента В, чем в кристаллах состава Л; следовательно, кристаллы состава М обогащаются компонентом А. Этот процесс происходит за счет диффузии атомов компонента А в уже имеющиеся, т.е. возникшие до этой температуры, кристаллы. При достаточной выдержке или медленном охлаждении при t₁ устанавливается равновесие кристаллов точки Л и жидкого сплава. Но в кристаллах состава точки Л компонента В больше, чем в сплаве; следовательно, жидкая часть сплава беднее компонентом В. При этой температуре состав жидкой части сплава определяется линией ликвидуса, т.е. точкой N. При дальнейшем охлаждении, когда сплав достигает температуры t₂ и устанавливается равновесие, сплав состоит из кристаллов состава точки К и жидкой части сплава состава точки Р. При достижении температуры t_c сплав полностью затвердевает и состоит из однородных кристаллов твердого раствора (состава 50 % А и 50 % В).

В реальных условиях ускоренного охлаждения состав кристаллов не получается однородным в связи с тем, что скорость кристаллизации больше скорости диффузии.

По правилу отрезков коноды общую массу сплава приравнивают длине коноды (АЕ при температуре t^o_l), и тогда количество жидкой фазы Q_ж и количество твердой фазы Q_т определяются отрезками коноды АК и КЕ, которые образовались при пересечении коноды с линией сплава 1-1. Согласно правилу отрезков коноды количество жидкой фазы равно отношению длины отрезка коноды, примыкающего к точке состава твердой фазы, к длине всей коноды: Q_ж=(АК/АЕ)*100%  Умножение полученного отношения отрезков на 100 % дает возможность выразить количество жидкой части сплава в процентах к общему количеству сплава. Количество (или масса) твердой фазы сплава равно отношению длины отрезка коноды, примыкающего к точке состава жидкой фазы, к длине всей коноды: Q_т=(КЕ/АЕ)*100% Итак, для определения количества жидкой и твердой фаз сплава по диаграмме состояния надо поступать следующим образом: 1. Восстановить перпендикуляр к точке, характеризующей состав данного сплава (т. е. провести линию сплава). 2. При заданной температуре провести коноду - горизонтальную линию (изотерму) до пересечения с линиями ограничивающими данную область. 3. Соотношение между жидкой и твердой частями сплава будет обратно пропорционально отрезкам, на которые линия сплава делит коноду. 4. Для определения количества твердой части сплава нужно вычислить отношение длины отрезка, прилегающего к жидкой части сплава, к длине всей коноды. 5. Для определения количества жидкой части сплава нужно найти отношение длины отрезка, прилегающего к твердой части сплава, к длине всей коноды. Поскольку в выражение для количественного определения температура не входит, то правило отрезков верно для любых температур и следовательно любых двухфазных областей разных диаграмм состояний. 

Кристаллиза́ция — процесс фазового перехода вещества из жидкого состояния в твёрдое кристаллическое с образованием кристаллов. Фазой называется однородная часть термодинамической системы отделённая от других частей системы(других фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав, структура и свойства вещества изменяются скачками. Кристаллизация — это процесс выделения твёрдой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов, в химической промышленности процесс кристаллизации используется для получения веществ в чистом виде.

Кристаллизация начинается при достижении некоторого предельного условия, например, переохлаждения жидкости или пересыщения пара, когда практически мгновенно возникает множество мелких кристалликов — центров кристаллизации. Кристаллики растут, присоединяя атомы или молекулы из жидкости или пара. Рост граней кристалла происходит послойно, края незавершённых атомных слоев (ступени) при росте движутся вдоль грани. Зависимость скорости роста от условий кристаллизации приводит к разнообразию форм роста и структуры кристаллов (многогранные, пластинчатые, игольчатые, скелетные, дендритные и другие формы, карандашные структуры и т. д.). В процессе кристаллизации неизбежно возникают различные дефекты.

На число центров кристаллизации и скорость роста значительно влияет степень переохлаждения.

Степень переохлаждения — уровень охлаждения жидкого металла ниже температуры перехода его в кристаллическую (твердую) модификацию. С.п. необходима для компенсации энергии скрытой теплоты кристаллизации. Первичной кристаллизацией называется образование кристаллов в металлах (сплавах и жидкостях) при переходе из жидкого состояния в твердое.