3.3.5. Диаграмма состояния с неограниченным твердым раствором

Этот тип диаграмм состояния относится к системам, компоненты которых обладают неограниченной взаимной растворимостью друг в друге как в жидком, так и в твердом состоянии, образуя однородные твердые растворы. По этому типу диаграмм состояния затвердевают сплавы Сu–Au, Cо–Ni, Cu–Ag, Bi–Sb, Fе–V. Твердые растворы бывают двух типов: замещения, когда атомы растворенного вещества находятся в узлах решётки растворителя, замещая его атомы, и внедрения, когда атомы растворенного вещества находятся в свободных участках решетки растворителя вне ее узлов (в междоузлии). Если твердые растворы образуются в сплавах любой концентрации, то такие растворы называются неограниченными твердыми растворами. Они образуются тогда, когда компоненты системы имеют одинаковый тип кристаллических решеток, различие в атомных диаметрах не превышают 8–17% и находятся близко друг к другу в таблице Менделеева. В остальных случаях образуются ограниченные твердые растворы или химические соединения.

В качестве примера второго типа диаграмм состояния на рис. 3.5 приведена система Сu–Ni. Верхняя часть диаграммы ограничена линией ликвидуса (линия 1РВK′2), а нижняя – линией солидуса (линия 1K′′′2)

Таблица 3.2

Критические температуры сплавов Сu ̶ Ni

№ сплава	Химический состав сплава, %		Верхняя критическая t,°С	Нижняя критическая t,°С	Микроструктура сплава
	Ni	Cu
1 2 3 4 5 6	100 80 60 40 20 0	0 20 40 60 80 100	1453 1083	1453 1083

Pис. 3.5. Диаграмма состояния системы Сu–Ni и микроструктуры медно-никелевых сплавов

В отличие от системы Рb–Sb затвердевание сплавов Сu–Ni начинается с выпадения из жидкости кристаллов α-твердого раствора. Сплав с 30% Ni при 1400 °С (точка а) будет жидким. В процессе охлаждения из жидкости выделяются кристаллы α-твердого раствора. Состав твердого раствора изменяется. Для каждой температуры его состав можно определить, используя правило отрезков. Для этого при заданной температуре через точку K проводим прямую линию (конноду), пересекающую линии ликвидуса и со­лидуса, проекции этих линий на ось концентраций показывают, что в точке n кристаллы α-твердого раствора содержат 73% Ni и 27% Сu. Состав крис­таллов твердого раствора, выпадающих в ходе затвердевания, изменяется вдоль линии солидуса от точки n до точки K′′′. Последним затвердевает кристаллик состава, соответствующего точке K′′′ (30% Ni). Состав жидкой фазы в процессе охлаждения также изменяется. Так, если в начале кристаллизации он соответствует 30% Ni и 70% Сu, то последняя капля жидкости содержит лишь 7% Ni .

Таким образом, при затвердевании сплава этой системы наблюдается непрерывное изменение состава жидкой фазы и образующихся кристаллов твердого раствора. Первые твердые частицы, которые формируются из центров кристаллизации, являются главными осями дендритов (оси первого порядка). В затвердевшем сплаве они сильно обогащены тугоплавким компонентом – Ni; по мере понижения температуры и формирования осей последующего порядка в твердой фазе увеличивается содержание более легкоплавкой составляющей Сu. Остающаяся жидкость обогащается медью, т. е. более легкоплавким компонентом. В процессе кристаллизации структура сплава получается неоднородной, так как диффузионные процессы не успевают выравнивать состав образующегося твердого раствора.

На рис. 3.5 а приведены микроструктуры чистой меди, на рис. 3.5 г – чистого никеля. Микроструктура сплава, содержащая 30% никеля (мельхиор), показана на рис. 3.5 б. Светлые участки представляют твердый раствор, обогащенный никелем, темные – твердый раствор, обогащенный медью. Как видно, внутри зерен элементы расположены неравномерно; такое явление, т. е. химическая неоднородность в пределах одного зерна-дендрита, называется дендритной ликвацией. Нагрев сплава до температуры, лежащей на 50–100 °С ниже линии солидуса, выдержка при этой температуре и последующее медленное охлаждение выравнивают состав сплава (рис. 3.5 в). Режим такой обработки называют диффузионным отжигом.