3.2 Диаграммы состояния

Любое фазовое превращение сплава отмечается изменением физико-химических свойств (электросопротивлением, удельного объема и т.д.) либо тепловым эффектом. Переход сплава из жидкого состояния в твердое сопровождается значительным выделением теплоты, поэтому, измеряя температуру при нагреве или охлаждеиии в функции времени, можно по перегибам или остановкам на кривых охлаждения определить критические температуры, при которых происходит фазовые превращения.

Диаграммы состояния представляют собой графическое изображение фазового состояния сплавов в зависимости от температуры и концентрации компонентов (химический состав). Диаграммы состояния строят для условий равновесия, т. е. такого со­стояния сплава, которое достигается при очень малых скоростях охлаждения или длительном на­греве. Диаграммы состояния сплавов в равно­весном состоянии являются теоретическими диа­граммами, так как истинное равновесие в практических условиях достигается редко. В боль­шинстве случаев сплавы находятся в метастабильном состоянии, т. е. в состоянии с ограни­ченной устойчивостью.

Существует несколько основных типов диаграмм состояния бинарных сплавов металлов (компонентов):

1. Неограниченно растворимых друг в друге компонентов в твердом состоянии;

2. Не растворимых друг в друге компонентов в твердом состоянии;

3. Ограниченно растворимых компоентов друг в друге;

4. В твердом состоянии образуются химические соединения (А_nB_m).

3.2.1 Диаграмма состояния сплавов для случая не­ограниченной

растворимости компонентов в твер­дом состоянии.

Рассмотрим диаграмму состояния сплавов системы медь - никель (рис. 1. 20). Медь и никель, соединяясь в любых пропорциях, обра­зуют непрерывный ряд твердых растворов, так как атомы никеля способны заместить в кристаллической решетке все атомы меди. Температура плавления меди составляет 1083 °С, никеля 1445 °С.

Рассмотрим кривые охлаждения (рис. 1.20, а) сплавов системы медь — никель для пяти составов следующей концентрации, %: 100 Сu, 80 Сu +20 Ni, 60 Cu +40 Ni, 20 Cu +80 Ni, 100 Ni. Чистые металлы (кривые 1 и 5) имеют одну критическую точку - температуру затвердевания (кристаллизации), а сплавы (кривые 2, 3, 4) - две, т. е. сплавы в отличие от чистых металлов кри­сталлизуются в интервале температур. Напри­мер, кристаллизация сплава 3 начинается при температуре t₁ (точка a₁), при этой температуре из жидкого сплава начинают выпадать первые кристаллы твердого α - раствора, а заканчивается кристаллизация при температуре t₃ (точка в₁). При этой температуре затвердевает последняя капля жидкого сплава. Разная температура кон­ца кристаллизации сплавов свидетельствует о том, что состав твердой фазы непрерывно изме­няется.

Рис. 1.20. Диаграмма состояния сплавов медь – никель:

а - кривые охлаждения; б - диаграмма состояния

Для построения диаграммы состояния (рис. 1.20, б) на оси абсцисс сетки в координатах температура - концентрация откладывают (от­мечают точками) составы пяти сплавов и восста­навливают из каждой точки вертикальные ли­нии. После этого переносят на эти вертикальные линий с кривых охлаждения сплавов (критичес­кие точки), а на левой и правой ординатах темпе­ратур отмечают температуры кристаллизации чистых металлов - меди (100 %) и никеля (100 %). Соединив плавными кривыми темпера­туры начала и конца кристаллизации всех спла­вов, получают диаграмму состояния сплавов си­стемы медь - никель с неограниченной раствори­мостью компонентов в твердом состоянии. Спла­вы меди и никеля кристаллизуются и затверде­вают в некотором температурном интервале. В пределах этого температурного интервала од­новременно существуют две фазы: жидкий сплав и кристаллы твердого раствора меди и никеля. На диаграмме этот интервал ограничен двумя линиями, соединяющими точки плавления чис­тых меди и никеля. Верхняя линия обозначает начало затвердевания при охлаждении или конец расплавления при нагреве, нижняя соответствен­но конец затвердевания или начало плавления. Рассмотренная диаграмма состояния сплава ме­ди и никеля имеет три области. Область сущест­вования жидкого расплава лежит выше верхней линии, соединяющей точки плавления меди и никеля, а область существования кристаллических твердых растворов - ниже нижней линии. Меж­ду этими линиями находится двухфазная об­ласть, в которой одновременно существуют рас­плав и кристаллы твердого раствора. Верхнюю границу этой области называют линией ликви­дус, а нижнюю - солидус («ликвидус» в переводе с латинского означает жидкий, «солидус» - твердый).

По этой же диаграмме состояния можно опре­делить концентрации твердой и жидкой фаз в сплаве при его кристаллизации. Например, для сплава 3 при температуре t₂ концентрация фаз определяется горизонтальной линией mn₁, прове­денной до пересечения с линиями солидус и лик­видус. Точка n₁ показывает концентрацию твер­дой фазы, а точка m - концентрацию жидкой фазы. При температуре t₃ концентрация твердой фазы определяется точкой b₁ на диаграмме состояния, а концентрация жидкой фазы - точ­кой m₁.

Из сказанного следует, что в процессе кристал­лизации непрерывно изменяется состав фаз: жидкой по линии ликвидус и твердой по линии солидус. Кристаллы твердого раствора, выпада­ющие из жидкого при разной температуре, име­ют переменный состав. Выросшие в первый мо­мент кристаллизации, оси кристаллов обычно обогащаются тугоплавким компонентом (нике­лем), а междуосные пространства заполняются позже и обогащаются более легкоплавким ком­понентом (медью). Такую неоднородность от­дельных кристаллов какого-либо сплава называ­ют внутрикристаллической, или дендритной лик­вацией. Дендритная ликвация тем больше, чем больше расстояние между линиями ликвидус и солидус.

Обычно это явление нежелательно и дендрит­ную ликвацию предотвращают последующим длительным нагревом для выравнивания состава cплава, вследствие происходящего в нем диф­фузионного процесса.

К твердым растворам относят также сплавы систем Cu - Au, Ag - Au, Ni -Au, Fe - Cr, Fe - V, Bi - Sb и др., кристаллизующиеся по рассмотрен­ному типу диаграммы состояния, когда оба ком­понента неограниченно растворимы, в жидком и твердом состояниях и не образуют химических соединений.

Таким образом, проводят построение диаграммы состояния.

Пользуясь диаграммой состояния, можно определить:

1.Температуру начала и конца плавления для любого сплава данной системы;

2.Определить число фаз и области их существования;

3. Состав и количественное соотношение компонентов в каждой фазе.

4.Структурные составляющие сплава.

Это правило может быть использовано только для тех областей диаграммы, в которых сплавы находятся в двухфазном состоянии.

1.Температура начала и конца плавления для меди определяется точкой А (1083 ⁰С), для никеля точкой В (1445 ⁰С), сплавы состава А + В находятся в промежутке этих температур.

2. Число фаз выше линии ликвидус (А – m₁ – m – a₁ – a₂- B) – одна ( жидкая фаза); ниже линии солидус (A – b – b₁ – n₁ – b₂ – n – B) – одна (твердая фаза); между линией ликвидуса и солидуса (две фазы жидкая и твердая). Причем состав жидкой и твердой фаз по мере охлаждения (нагрева) и кристаллизации (растворения) все время меняется.

3. Состав и количественное соотношение компонентов в каждой точке можно определить в соответствии Правилу отрезков (фаз).