Материаловедение / 12

3.3. Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состоянии

Построение диаграммы состояния двухкомпонентных сплавов рассмотрим на примере сплава, компоненты которого неограниченно растворимы в жидком и твердом агрегатных состояниях и не образу­ют химических соединений. Компоненты сплава обозначим буквами А и В. В данной системе могут существовать только 2 фазы: жидкий и твердый растворы компонентов. Твердый раствор компонента В в А обозначим буквой а. Для построения диаграммы состояния в данном случае необходимо приготовить некоторое количество сплавов (на­пример, 80 % А + 20 % В, 50 % А + 50 % В, 20 % А + 80 % В) и взять

чистые исходные компоненты А и В. Нагреть тигли со сплавами в термошкафу до перехода в жидкое агрегатное состояние, выдержать до полного расплавления и поставить их охлаждать на воздухе в есте­ственных условиях. С помощью термопары и потенциометра записать кривые охлаждения сплавов в координатах «температура-время», на которых определить характерные критические точки.

На кривой охлаждения чистого компонента А при температуре t_a наблюдается остановка (площадка), т. к. происходит кристаллиза­ция компонента А из жидкой фазы (рис. 3.2), т. е. в системе одно­временно находятся 2 фазы - жидкая и твердая, что согласно пра­вилу фаз может происходить лишь при постоянной температуре c = 1 +1 - 2 = 0. Постоянство температуры поддерживается вследствие выделения скрытой теплоты кристаллизации. После окончания кри­сталлизации температура вновь понижается. Аналогично идет про­цесс кристаллизации и компонента В.

При охлаждении сплава I до температуры, соответствующей точке 1, наблюдается на кривой охлаждения перегиб, т. к. начинается в этой точке процесс кристаллизации а-твердого раствора, и вследст­вие выделения скрытой теплоты кристаллизации скорость охлажде­ния замедляется. Процесс кристаллизации протекает в некотором ин­тервале температур между точками 1 и 2, т. к. система в этом диапазоне температур двухфазна (ж + а) и двухкомпонентна, соот­ветственно число степеней свободы равно единице (c = 2 +1 - 2 = 1).

При температуре, соответствующей точке 2, процесс кристалли­зации заканчивается и при понижении температуры в системе суще­ствует только а-твердый раствор. Аналогично происходит кристал­лизация сплавов II и III данной системы.

Если эти критические точки нанести на диаграмму в координа­тах «температура-химический состав» и соединить точки аналогич­ных превращений плавной кривой, то получим диаграмму состояния системы сплавов компонентов А и В, образующих непрерывный ряд твердых растворов.

Верхняя линия, представляющая собой геометрическое место точек начала кристаллизации, называется линией ликвидус (от лат. слова liquidus - жидкий). Выше данной линии весь сплав в системе находится в жидком агрегатном состоянии. Нижняя линия, представ­ляющая собой геометрическое место точек завершения кристаллиза­ции сплава из жидкой фазы, называется линией солидус (от лат. слова solidus - твердый). Ниже этой линии все сплавы системы находятся в твердом агрегатном состоянии (а). Между линиями ликвидус и со-

лидус расположена двухфазная область, состоящая из жидкой (ж) и твердой фаз (а).

Из диаграммы состояния видно, что чем больше в сплаве более тугоплавкого компонента В, тем выше температура начала его кри­сталлизации. Следовательно, при различных температурах кристалли­зуется а-твердый раствор различного химического состава.

На примере сплава, содержащего по 50 % компонентов А и В, рассмотрим более подробно процесс кристаллизации. Для определе­ния состава фаз, находящихся в равновесии при заданной температу­

ре в двухфазной области между линиями ликвидус и солидус, соглас­но первому правилу отрезков, необходимо через данный температур­ный уровень провести линию, параллельную оси концентраций (ко-ноду) до пересечения с линиями ликвидус и солидус, и найти координаты проекций точек пересечения с этими линиями на ось концентраций. Проекция точки пересечения с линией ликвидус ука­жет состав жидкой фазы, а с линией солидус - твердой.

Таким образом, при температуре, соответствующей точке 3 (на­чала кристаллизации) начинают выпадать кристаллы, обогащенные более тугоплавким компонентом В, соответствующие составу точки с', а жидкая фаза имеет состав точки 3'. При охлаждении сплава до темпе­ратуры t_d выпадают кристаллы а-твердого раствора состава точки в', а жидкая фаза имеет состав точки f'. При завершении кристаллиза­ции сплава в точке 4 а-фаза имеет состав точки 4', т. е. соответст­вующей составу исходной жидкой фазы. Из рис. 3.2 видно, что при охлаждении от точки 3 до точки 4 состав жидкой фазы изменяется в соответствии с линией ликвидус (от точки 3 до точки к), а состав кристаллизующегося а-твердого раствора - в соответствии с линией

солидус (от точки с до точки 4). При медленной равновесной кри­сталлизации происходит диффузия компонента А из жидкой фазы в твердую и состав практически выравнивается. При неравновесной кристаллизации состав в пределах кристаллов не успевает выравни­ваться и он будет неодинаковым, что особенно характерно для цвет­ного литья и крупных отливок. Внутренние участки кристаллов в этом случае более богаты тугоплавким компонентом. Такое явление называется микроликвацией. Аналогичным образом у поверхности слитка кристаллизуется состав, обогащенный более тугоплавким ком­понентом. В результате образуется макроликвация.

В процессе кристаллизации изменяется не только состав фаз, но и количественное соотношение между ними. Количество каждой из фаз, находящихся в равновесии в заданной точке (d) двухфазной об- ласти, можно определить с помощью второго правила отрезков. Для этого необходимо через точку d провести горизонтальную линию (ко- ноду) до пересечения с ограничивающими данную область линиями диаграммы. Отрезки этой линии между заданной точкой и точками пересечения с линиями ликвидус и солидус, обратно пропорциональ- ны количеству каждой из фаз. В точке d количество жидкой фазы со- ставит ж = —100 %, а выделившихся кристаллов а = 100 %.

4

2