Материаловедение / 13

3.4. Диаграмма состояния двухкомпонентных сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии

В данных сплавах оба компонента неограниченно растворимы в жидком состоянии, ограниченно растворимы в твердом и не образуют химических соединений.

В системе возможно существование следующих фаз: жидкая фаза (расплав), твердые растворы компонента В в А - а-фаза и компонента А в В - (3-фаза. Для таких сплавов характерны два вида диаграмм: диа­граммы с эвтектическими и перитектическими превращениями.

3.4.1. Диаграмма состояния двухкомпонентных сплавов, компоненты которых ограниченно растворимы в твердом состоянии и образуют эвтектику

Данный вид диаграмм имеют сплавы Al-Cu, Al-Si, Cu-Ag и др.

Рис. 3.3. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых ограниченно растворимы в твердом состоянии и образуют эвтектику

1

Одной из основных особенностей этих сплавов является отсут­ствие при кристаллизации фаз с чистыми исходными компонентами. Из жидкой фазы могут выделяться твердые растворы а и в. Следова­тельно, около вертикальных линий диаграмм, соответствующих кри­сталлизации чистых компонентов А и В, находятся области сущест­вования твердых растворов а и в (рис. 3.3).

Линия abc является на этой диаграмме линией ликвидус, а линия adbec - линией солидус. Сплавы, находящиеся между двумя этими линиями, являются двухфазными, состоящими из жидкости (распла­ва) и твердых фаз а или в .

При температурах, соответствующих линии ab, из жидкого рас­плава выделяются кристаллы твердого раствора а, а ниже линии bc -кристаллы твердого раствора в . Линия ликвидус abc характеризует

состав жидкой фазы в момент начала кристаллизации. Точка d харак­теризует предельную растворимость компонента В в А, а точка е -компонента А в В. Линии adf и ceh характеризуют изменение пре­дельной растворимости соответствующих компонентов при измене­нии температуры. Твердый раствор компонента В в А является не толь­ко ограниченной, но и переменной растворимости ниже линии dbe, и при охлаждении изменяется в соответствии с линией df.

Рассмотрим кристаллизацию сплава состава I, соответствующе­го точке х\. При температуре, соответствующей точке 1, из жидкой фазы начнется выделение кристаллов а-твердого раствора, которое заканчивается в точке 2. При этом состав жидкой фазы при кристал­лизации изменяется по линии ликвидус от точки 1 до р, а состав твер­дой фазы по линии солидус (отрезок r-2). В точке 2 кристаллизация а-твердого раствора из жидкости заканчивается, и полученные кри­сталлы должны иметь концентрацию компонентов, соответствующую исходной жидкости (при равновесной кристаллизации). Ниже точки 3 а-твердый раствор является пересыщенным, т. к. предельная раство­римость компонента В в А с понижением температуры уменьшается, поэтому из твердого раствора а начинает выделяться избыточный компонент В, на основе которого образуются кристаллики вторичного твердого раствора компонента А в В - р_п. Процесс выделения вто­ричных кристаллов из твердой фазы носит название вторичной кри­сталлизации.

При охлаждении сплава V состава х₅ ниже линии cb происходит выделение кристаллов твердого раствора в и заканчивается кристал­лизация на линии ce. Состав сплава соответствует точке 9 и остается постоянным, т. к. растворимость компонента А в В при дальнейшем охлаждении не изменяется.

Фазовый состав сплавов между линиями ликвидус и солидус будет двухфазным. Левее точки b -(а + ж) и правее точки b -(( + ж).

2

Кристаллизация сплава III, соответствующего точке b, происхо­дит при постоянной самой низкой температуре с одновременным вы­делением а- и в-твердых растворов. Химический состав фазы а со­ответствует точке d, а фазы в - точке е. В точке b одновременно в равновесном состоянии находятся 3 фазы в двухкомпонентной сис­теме, т. е. процесс нонвариантный с = 2 - 3 +1 = 0.

Фазовое превращение, при котором из жидкой фазы одновре­менно кристаллизуются две твердые фазы, называется эвтектиче­ским и протекает по схеме ж_ь ^ а _d +в_е.

Механическая смесь выделившихся кристаллов твердых фаз а и в называется эвтектикой (на диаграмме обозначим буквой «э»). Соотношение фаз в эвтектике определяется по правилу отрезков. Ко­личество фазы а_d = — • 100%, соответственно в_е = ~~• 100%. Сам

de de

процесс образования эвтектики (эвтектической кристаллизации) был разработан А. А. Бочваром. Согласно теории, сначала зарождаются и растут кристаллики одной из фаз, например, а-твердого раствора,

обогащенного компонентом А. Прилегающая к нему жидкость обедня­ется компонентом А и соответственно обогащается компонентом В, в результате происходит выделение в-твердого раствора и т. д. Эв­тектическая структура обычно состоит из мелких кристаллов обеих а- и в-фаз, т. к. при одновременной их кристаллизации из жидкого

сплава рост каждой из них затруднен.

Сплавы состава, находящегося между точками d и b, называются доэвтектическими, а находящиеся между точками b и e - заэвтекти-ческими.

Рассмотрим кристаллизацию доэвтектического сплава II состава х₂. При температуре, соответствующей точке 4, начинается кристал­лизация а-твердого раствора, как и у сплава состава I. По мере сни­жения температуры в области между линиями ликвидус аЪ и солидус db в системе будет увеличиваться количество а-фазы и уменьшаться

количество жидкой фазы и при достижении температуры ^_э, соответ­ствующей линии dbe (температуры эвтектических превращений), ко­личество жидкости будет равно ^d—⁵ • 100 %. Состав жидкости при

db

охлаждении изменяется по линии 4-b и при температуре £_э соответст­вует точке b. Таким образом, состав жидкости и ее температура соответ-

4

ствуют точке эвтектических превращений, в которой из данного расплава одновременно будут кристаллизоваться кристаллы а- и в-фаз, образуя эвтектику. Следовательно, ниже линии db доэвтектический сплав со­стоит из уже ранее выделившихся кристаллов а и эвтектики (а + в).

Аналогичным образом происходит кристаллизация заэвтектиче-ских сплавов, например, состава IV. Различие будет лишь в том, что на линии cb начинается кристаллизация твердого раствора в. Состав жидкой фазы при охлаждении изменяется по линии cb и в точке b бу­дет соответствовать концентрации эвтектического превращения. Ко-

b 7

личество кристаллов твердого раствора в будет равно 100%, а

be

7 _{- e}

жидкой фазы 100 %. Из жидкой фазы при температуре *_э обра-

be

зуется эвтектика (а + в) ■ Соответственно ниже линии be заэвтекти-ческий сплав будет состоять из эвтектики и ранее выделившегося твердого раствора в ■

При кристаллизации сплавов в соответствии с данной диаграм­мой состояния образуются две фазы а и в, которые отличаются по плотности от остающейся жидкой части сплава, вследствие чего всплывают кристаллы менее плотной фазы или оседают кристаллы более плотной. В результате получается слиток, неоднородный по со­ставу и свойствам. Это явление называется ликвацией по плотности. Для предупреждения ликвации сплав быстро охлаждают или энер­гично перемешивают, а также добавляют третий компонент, кристал­лизующийся первым в виде разветвленных дендритов, препятствую­щих расслоению сплавов.

3.4.2. Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии и претерпевающих перитектическое превращение

Линия abc на диаграмме (рис. 3.4) соответствует линии ликви­дус, а линия adec - линии солидус. Точка d характеризует максималь­ную растворимость компонента В в А, а точка e предельную раство­римость А в В. В сплавах, содержащих компоненты в количествах меньше точки f и больше точки к, образуются однофазные твердые растворы соответственно а или в . Линия bde называется линией пе-

ритектических превращений.