5.2 Диаграмма фазового равновесия сплавов с неограниченной растворимостью в жидком и ограниченной растворимостью в твердом состоянии

В металлических сплавах неограниченная растворимость компонентов в твердом состоянии встречается сравнительно редко. Вследствие ограниченной растворимость вид диаграммы состояния осложняется.

5.2.1 Диаграммы состояния эвтектического типа

В случае ограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии, часто образуются диаграммы такого типа, как приведено на рис. 5.2, а.

II III IV I V

T_A 1 L T₁ L L

4 L L+  T₄

Т_А 2 L +  6 8 L+ T₂

 5 7 9  L_a+_b L+

a c b T_c

 + 

3 T₃  + ( + )

 +   +   + _II

A d f B

a б в г

Р исунок 5.2 – Схема диаграммы состояния (а) и кривых охлаждения для сплавовI(б); II(в); III(г)

Точки Т_А и Т_В соответствуют температурам плавления компонентов. Линия Т_АсТ_В – ликвидус, выше нее любой сплав системы находится в жидком однофазном состоянии. На диаграмме имеются еще две однофазных области  и .  - твердый раствор компонента В в кристаллической решетке компонента А,  - твердый раствор компонента А в кристаллической решетке компонента В. Линия Т_АавсТ_В – солидус, ниже нее сплавы находятся в твердом но не обязательно однофазном состоянии. Линии ad и bf, которые ограничивают однофазные области твердых растворов, показывают, как изменяется растворимость компонентов друг в друге с изменением температуры (сольвус). В приведенной диаграмме, растворимость В в А с понижением температуры уменьшается, а А в В – постоянна.

Для определенности укажем, что точки диаграммы соответствуют следующим значениям концентрации компонента В, %: а – 20; с – 70; в – 90; d – 5; f – 90.

Проанализируем, какие изменения происходят при охлаждении в разных сплавах данной системы. Начнем с наиболее характерного сплава I (70% компонента В). Из диаграммы видно, что выше температуры Т_с сплав находится в однофазном жидком состоянии, ниже – сосуществуют 2 фазы  и . Таким образом при температуре Т_с (вернее, чуть ниже) должно происходить превращение жидкой фазы состава точки с в две твердые - , состава точки а и , состава точки в (для определения состава твердых фаз проводим коноду чуть ниже Т_с). Такое фазовое превращение L_c  _а + _в называется эвтектическим. Соответствующая диаграмма называется диаграммой с эвтектикой или эвтектического типа. Во время этого превращения происходит сильное перераспределение компонентов между фазами, поэтому образующиеся кристаллы оказываются довольно мелкими. При микроструктурном анализе оказалось удобным расценивать результат эвтектического превращения как отдельную структурную составляющую, которую назвали эвтектикой. Пользуясь правилом отрезков, легко рассчитать количество фаз в полученной эвтектике. Для этого при температуре чуть ниже Т_с (Т_с-Т) необходимо провести коноду и соответственно с приведенными выше соотношениями вычислить:

Тогда количество фазы  составит 28.5%. Это – фазовый состав. Структурный состав этого сплава – 100% эвтектики ( + ). Схема структуры – на рис. 5.3, б.

Рисунок 5.3 – Схемы структур двухкомпонентных сплавов

В учебниках иногда пишут, что эвтектика - это механическая смесь кристаллов разных фаз, но это не совсем так. Во время кристаллизации образующиеся кристаллы разных фаз располагаются обычно друг по отношению к другу не беспорядочно.

Рассмотрим, какие изменения происходят при охлаждении сплава II (10% компонента В). Выше Т₁ сплав находится в жидком состоянии, в интервале Т₁ – Т₂ происходит кристаллизация фазы , причем чем ниже температура, тем меньше остается жидкости и больше становится кристаллов. Состав жидкости при этом меняется в соответствии с наклоном линии ликвидус, а твердой фазы – линии солидус. Ниже Т₂ сплав состоит только из кристаллов  с концентрацией компонета В 10%. Ниже Т₃ растворимость компонента В в А становится менее 10% и начинается выделение, обычно по границам зерен  кристаллов , которые обычно называют вторичными (рис. 5.3, г).

Для сплава III кристаллизация начинается при переохлаждении относительно температуры Т₄. Становится все больше кристаллов фазы  и все меньше жидкости L, а их составы также меняются в соответствии с наклонами линий солидус и ликвидус. При температуре чуть выше Т₅ (Т₅ + Т, причем Т может быть сколь угодно малым), можно оценить равновесный фазовый состав количественно:

;

При Т₅ - Т сплав должен состоять из кристаллов твердых растворов  и  и также можно оценить их соотношение:

;

Сравнивая эти результаты можно сделать вывод, что произошло превращение L_c  _а + _в. То есть эвтектическое. В микроструктуре будут видны как отдельные крупные кристаллы фазы , которые образовались выше Т₅, так и эвтектика ( + ), причем количество эвтектики в структуре будет соответствовать количеству жидкости при Т₅ + Т. Значит структурный состав сплава III после окончания кристаллизации будет состоять из 20% эвтектики ( + ) и 80% кристаллов , которые обычно называют избыточными. Фазовый состав – 14%  и 86% . Схема структуры сплава III приведена на рис.5.3, а.

Для сплава IV формирование структуры происходит аналогично, только избыточных кристаллов  будет меньше, а эвтектики – больше. Для сплава V разница заключается в том, что вначале, ниже Т₈, выделяются избыточные кристаллы фазы , а затем – эвтектика (расчеты провести самостоятельно). Схема структуры сплава V приведена на рис.5.3, в.

Если растворимость компонентов друг в друге очень мала, то однофазные области твердых растворов уменьшаются до такой степени, что на диаграмме их практически не видно и этой растворимостью пренебрегают. В этом случае говорят, что при эвтектической кристаллизации из жидкости образуются практически чистые кристаллы компонентов А и В, например в системе Pb-Sb (рис. 5.4) L  А + В.

При кристаллизации эвтектического сплава формирование эвтектики происходит путем совместного роста кристаллов Pb и Sb. При кристаллизации доэвтектического сплава начинают выпадать кристаллы Pb в форме дендритов черного цвета.

ж T_Sb

T_Pb Pb+ж ж +Sb

A С В

Pb + Sb

Pb % Sb Sb

Рисунок 5.4 - Диаграмма состояния системы Pb - Sb

По мере охлаждения сплава кристаллы Pb растут, а жидкость обогащается Sb и при эвтектической температуре имеет состав точки В. Кристаллизация эвтектической жидкости происходит по выше изложенной схеме и структура сплава состоит из кристаллов Pb и эвтектики (Pb+Sb). Аналогично происходит кристаллизация заэвтектических сплавов с образованием первичных кристаллов Sb и структура этих сплавов состоит из кристаллов Sb и эвтектики (Pb + Sb).