Материаловедение / 16

3.6. Диаграммы состояния сплавов, компоненты которых испытывают полиморфные превращения

Во многих сплавах железа, титана и др. после их затвердевания при определенных температурах происходят фазовые превращения, которые вызываются полиморфными превращениями компонентов и сопровождаются распадом твердого раствора в связи с изменением взаимной растворимости компонентов в твердом состоянии в новых кристаллических решетках. Кристаллизационные процессы образова­ния фаз в твердом состоянии подчиняются тем же закономерностям, что и процессы кристаллизации из жидкой фазы. То есть превраще­ния протекают в результате образования зародышей и последующего их роста. Полиморфные превращения одного или обоих компонентов сплава изменяют его структуру и свойства.

3.6.1. Диаграмма состояния сплава с полиморфным превращением одного из компонентов

Диаграмма состояния двухкомпонентного сплава, один из ком­понентов которого претерпевает полиморфное превращение, приве­дена на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Диаграмма состояния сплавов с полиморфным превращением одного из компонентов

В данном сплаве полиморфное превращение претерпевает ком­понент А. При температуре, соответствующей точке a, из жидкой фа­зы, кристаллизуется компонент А с кристаллической решеткой - Ав,

а при температуре, соответствующей точке с, происходит полиморф­ное превращение и образуется компонент А с решеткой A _a. В данном сплаве компоненты В и Ав имеют одинаковые кристаллические ре­шетки и в высокотемпературной области образуют непрерывный ряд твердых растворов в. В низкотемпературной области компонент В ог­раниченно растворим в компоненте A _a, образуя a-твердый раствор.

На линии ликвидус alb для сплава I в точке 1 начинается кри­сталлизация в-твердого раствора, а на линии солидус a2b в точке 2 процесс кристаллизации из жидкой фазы заканчивается. Ниже линии солидус a2b образуется однофазный в-сплав.

При дальнейшем охлаждении до линии се в точке 3, вследствие изменения кристаллической решетки компонента А, происходит об­разование нового твердого раствора компонента В в A_a модифика­ции компонента А, который обозначим буквой a. В точке 4 процесс перекристаллизации в твердом агрегатном состоянии в — a заканчи­вается и образуется однофазный a-сплав.

В соответствии с данной диаграммой левее точки d кристаллизу­ются однофазные a-сплавы, правее точки е - однофазные в-сплавы, а между точками d и e кристаллизуются двухфазные сплавы, состоящие из a- и в-фаз, т. к. в этой области процесс перекристаллизации в — a до конца не закончился.

3.6.2. Диаграмма состояния сплавов с полиморфными превращениями обоих компонентов и эвтектоидным превращением

В соответствии с данной диаграммой состояния (рис. 3.7) ком­поненты А и В в высокотемпературной области имеют одинаковый тип кристаллической решетки и неограниченно растворимы друг в друге, образуя твердые растворы у.

В точках a и b происходит кристаллизация компонентов А и В с кристаллическими решетками Ав и Вв соответственно. При темпе­ратурах, соответствующих точкам с и d, происходит изменение кри­сталлических решеток компонентов А и В и превращение их в моди­фикации A_a и B_a. Соответственно новые образующиеся твердые растворы B_a в A_a обозначим a и A_a в B_a - в. Точка е показывает максимальную растворимость компонента B_a в A_a, а точка к соот­ветственно компонента A_a в B_a.

Вследствие полиморфных превращений компонентов А и В при понижении температуры ниже линий cf и df начинается распад у-фазы с образованием а-фазы для сплавов, расположенных левее точкиf и в-фазы, для сплавов, находящихся правее точкиf Для спла­вов состава левее точки e на линии ce процесс распада у-фазы закан­чивается и образуется однофазный а-сплав. Аналогично, для сплавов правее точки k ниже линии dk образуется однофазный в-сплав.

Состав а-фазы при кристаллизации изменяется в соответствии с линией ce, в-фазы - с линией dk, а у-фазы - с линией cfd. В точке f возникает нонвариантное состояние, т. к. при распаде у-фазы одно­временно кристаллизуются две фазы а и в, происходит эвтектоид-ное превращение

Механизм эвтектоидного превращения аналогичен эвтектиче­скому, но исходной фазой при этом будет твердый раствор, а не жид­кая фаза, т. е. превращение происходит уже в твердом агрегатном со­стоянии. Так как при этом с = 0, то процесс происходит при постоянной температуре. Количественное соотношение фаз при эв-тектоидном превращении определяется отношением соответствую­щих отрезков на линии efk:

Сплавы, соответствующие составу точки f, называются эвтекто-идными, а механическая смесь полученных кристаллов а + 3 называет­ся эвтектоидом (Эв). Соответственно сплавы состава левее точки f до точки е - доэвтектоидные, правее точки f до точки k - заэвтектоид-ные. Так как доэвтектоидные сплавы состава между точками e и f при температуре эвтектоидных превращений имеют избыток а-фазы, вы­делившейся при охлаждении до линии efk (а / 3 > fk / ef), то при тем­пературе ^ из у-фазы состава точки f образуется эвтектоид, однако в сплаве еще будут присутствовать избыточные а-кристаллы. Анало­гично для сплавов состава между точками f и k характерен избыток 3-фазы и после эвтектоидных превращений эти сплавы кроме эвтек-

тоида содержат дополнительно ранее выпавшие кристаллы 3-фазы.

Линии el и km на диаграмме показывают, что с понижением тем­пературы уменьшается растворимость компонентов друг в друге. В свя­зи с этим излишки компонентов вытесняются и на их основе происхо­дит образование соответствующих вторичных кристаллов 3 ц и а _п.

3.7. Связь между свойствами сплавов и диаграммой состояния

Свойства сплавов в значительной степени определяются фазо­вым составом, о котором можно судить по диаграммам состояния. Впервые на связь между видом диаграммы и свойствами сплавов об­ратил внимание В. Н. Курнаков. Им же заложены основы физико-химического анализа сплавов.

Для основных видов диаграмм существует зависимость, приве­денная на рис. 3.8.

1. При образовании твердых растворов свойства сплавов изменя­ются по криволинейной зависимости, причем многие из них могут су­щественно превосходить свойства исходных компонентов (в первую очередь электросопротивление). Поэтому распад твердых растворов на две и более фазы приводит к увеличению электропроводности.

2. При образовании механических смесей свойства сплавов из­меняются по линейному закону (аддитивно). Значения свойств нахо­дятся в интервале между свойствами чистых компонентов.

3. В сплавах с ограниченной растворимостью при концентраци­ях, соответствующих однофазному твердому раствору, изменяются свойства по криволинейному закону, а в двухфазной области - по ли-

6

4