3.2.1.1Правило отрезков (правило фаз)

Чтобы определить концентрации ком­понентов в фазах, через данную точку, ха­рактеризующую состояние сплава в соответствии выбранной температуры, прово­дят горизонтальную линию (каноду) до пересечения с линиями, ограничивающими данную область(1-3) или (в-с) или (2–2); проекции точек пересечения на ось концентраций показывают составы фаз: для первой температуры состав твердой фазу будет соответствовать точке 3; для второй температуре – точке с, для третьей – точке 2, т.е. из расплава выделяются кристаллы, более богатые тугоплавким компонентом, рис. 1.20. Закончится кристаллизация сплава К должна в точке 2, когда последняя капля жидкости, имеющая состав 2¹, затвердевает. Таким образом, состав кристаллов будет изменяться по линии 3 – c – 2; по жидкости – по линии 1 –b – 2^1..

Рис. 1.20. Диаграмма состояния (неограниченная растворимость в твердом состоя­нии) и кривая охлаждения

Рис. 1.21. Типичная микроструктура сплава Cu-Ni, Х 250

Выделяющиеся кристаллы твердого раствора имеют переменный состав, зависящий от температуры. Однако при медленном охлаж­дении процессы диффузии в жидкой и твердой фазах (объемная диффузия), а также процессы взаимной диффузии между ними (межфазная диффузия) успевают за процессом кристаллизации, поэтому состав кристаллов выравнивается. В этих условиях сплав после затвердевания будет состоять из однородных кристал­лических зерен твердого раствора (рис. 1.21), а их состав будет соответствовать исходному составу сплава.

Однако в реальных условиях процесс диффузии протекает медленно, поэтому состав в пределах каждого кристалла и разных кристаллов не успевает выравниваться и будет неодинаковым.

Неоднородные по составу кристаллы твердого раствора можно характеризовать средней концентрацией, которая на рис. 1.22 лежит справа от линии солидус ¹.

Рис. 1.22. Диаграмма состояния для случая неограниченной растворимости компонентов А и В в твердом и жидком состоянии

Рассмотрим сплав, содержащий 50 % компонента В, начинаю­щий затвердевать при температуре t_t , при которой образуются кристаллы α; состав их соответствует точке k₁.

При температуре t₂ состав жидкой фазы будет соответствовать точке т, а α -фазы - точке п. Но отдельные части кристаллов α - фазы, которые образовались при температурах, превышающих температуру t₁ , не изменили своего начального состава, и средний состав кристаллов будет соответствовать точке к₂. При понижении температуры средний состав кристаллов α - твердого раствора все более отклоняется от равновесного. При температуре t ₃ он будет соответствовать не точке п₁, а точке к₃. Если через точки k₁ - к₅ провести кривую, она будет характеризовать средний состав кристаллов α - фазы при данной скорости охлаждения. При темпе­ратуре t₄ в условиях равновесия фаз выбранный сплав должен затвердеть. В неравновесных условиях этого не произойдет, так как в сплаве останется жидкая фаза, количество которой определяется из соотношения [t_{4 *} k₄/ (m_{2 *} k₄)]* 100. Сплав окончательно затвердевает тогда, когда средний состав α - фазы будет соответствовать составу взятого сплава. Это произойдет при температуре t₅ (точка k₅), при которой периферийные зоны кристаллов будут иметь состав, отвечающий 50 % компонента В (рис. 20). Следовательно, в неравновесных условиях сплав затвердевает ниже равновесной температуры затвердевания. Линию k₁ - k₅ называют неравновесный солидус. Каждый сплав при заданной скорости охлаждения характеризуется своим неравновесным солидусом.

В результате неравновесной кристаллизации химический состав образующихся кристаллов α - твердого раствора по сечению оказывается перемен­ным.

В процессе кристаллизации обычно образуются кристаллы твердого раствора дендритного типа, поэтому оси первого порядка, возникающие в начальный момент кристаллизации, обогащены более тугоплавким компонентом В. периферийные слои кристалла и межосные пространства, кристаллизующиеся в последнюю оче­редь, будут обогащены компонентом А, понижающим температуру плавления сплава, и их состав близок к концентрации, соответ­ствующей исходной концентрации сплава. Такую неоднородность состава сплава внутри отдельных кристаллов называют внугпри-кристаллитной, или дендритной, ликвацией. Чей больше разность температур между солидусом и ликвидусом, тем больше дифферен­циация по составу между жидкой и твердой фазами и тем сильнее проявляется этот вид ликвации. Быстрое охлаждение способствует развитию дендритной ликвации. Вследствие разной травимости участков твердого раствора, имеющих неодинаковый состав, неоднородность внутри каждого кристалла можетбыть легко выявлена при микроанализе, рис. 1.23.

Рис. 1.23. Микроструктура твердого раствора Cu – Ni после литья, а), после деформации и гомогенизации б), Х 200