2. Диаграммы состояния двойных сплавов

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение равновесного состояния сплавов в зависимости от температуры и концентрации.

Диаграмма состояния позволяет для конкретных сплавов проследить за превращениями, происходящими при их нагреве и охлаждении, определить температуры начала и конца плавления (затвердевания) сплава, будет ли сплав однородным, каковы его жидкотекучесть, пористость. Эти сведения необходимы при разработке литейной технологии. Сведения о том, будут ли в сплаве в твердом состоянии структурные превращения, каков их характер, какая структура получается в результате этих превращений, при каких температурах превращения

начинаются, при каких заканчиваются и т. п., необходимы при разработке технологии термической обработки деталей из данного сплава. Эти же сведения необходимы также при разработке технологии горячей обработки и сварки. Еще большее количество сведений необходимо для того, чтобы назначить тот или иной сплав для изготовления из него изделий.

Кроме качественной оценки структуры, по диаграмме состояния можно дать и количественную оценку сплава, т. е. определить, например, количественное соотношение между жидкой и твердой частями сплава при определенной температуре.

В зависимости от характера, образующегося в сплавах строения (механическая смесь, твердый раствор, химическое соединение) различают следующие основные типы диаграмм состояния:

1 — диаграмма для случая полной нерастворимости компонентов в твердом состоянии;

2 — диаграмма для случая неограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии;

3 — диаграмма для случая ограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии;

4 — диаграмма для случая, когда компоненты образуют химическое соединение.

3. Диаграмма состояния сплавов для случая нерастворимости компонентов в твердом состоянии

Рассмотрим построение диаграмм состояния.

Диаграмму состояния строят в координатах «температура — концентрация» (рис. 60). Для сплавов, состоящих из двух компонентов (обозначим их буквами А и В), состав характеризуется отрезком прямой, принятым за 100%.

Крайние точки А и В соответствуют- 100% чистых компонентов. Любая точка на этом отрезке характеризует состав двойного сплава. Так, например, точка С соответствует сплаву, состоящему из 20% Б и 80% А; точка D соответствует сплаву, состоящему из 60% В И 40% А.

Для построения диаграммы состояния из компонентов системы изготовляют серию сплавов различного состава и для каждого из них строят кривую охлаждения по результатам термического анализа. Критические точки каждого сплава наносят на сетку в координатах «температура — концентрация».

Рассмотрим построение диаграммы состояния для сплавов, состоящих из свинца (Рb) и сурьмы (Sb). Свинец и сурьма обладают неограниченной растворимостью в жидком состоянии, а в твердом состоянии не растворяются друг в друге, т. е. образуют механическую смесь. На рис. 61 приведены кривые охлаждения свинца, сурьмы и трех сплавов свинец — сурьма.

Из приведенных кривых видно, что три кривые охлаждения — для свинца, сурьмы и сплава 87% Рb и 13% Sb имеют одну критическую точку (горизонтальную площадку). Горизонтальные площадки для чистых металлов: свинца при 327°С и сурьмы при 63ГС (рис. 61, а, д) являются температурами их затвердевания. Для сплава с 87% Рb и 13% Sb (рис. 61, в) горизонтальная площадка при 246°С является температурой затвердевания данного сплава с образованием механической смеси кристаллов свинца и сурьмы. Такая механическая смесь называется эвтектикой. Температура, при которой образуется эвтектика (в данном случае 246°С), называется эвтектической температурой, состав сплава, при котором образуется эвтектика (в данном случае 87% Рb и 13% Sb), называется эвтектическим составом.

Для двух других сплавов свинец — сурьма (рис. 61, б, г) имеются две критические точки 1 и 2, указывающие на то, что затвердевать эти сплавы будут не при одной постоянной температуре, а в интервале температур. В таких сплавах добавка одного компонента к другому понижает температуру начала затвердевания сплава. Температура же конца затвердевания не зависит от состава сплава и одинакова для всех сплавов — для данной системы это температура 246°С. На кривой охлаждения каждого сплава температура, соответствующая точке 1, отвечает началу затвердевания сплава и называется температурой ликвидуса (liquidus — жидкий); температура точки 2 соответствует концу затвердевания сплава и называется температурой солидуса (solidus — твердый).

Характерным для данной системы является то, что сплавы любого состава окончательно затвердевают только в том случае, если они будут иметь эвтектический состав (87% Рb и 13% Sb). В различных сплавах свинец — сурьма по сравнению со сплавом эвтектического состава будет избыток или свинца или сурьмы. Поэтому, например, в сплаве состава 95% Рb и 5% Sb (рис. 61, б), имеющем большее количество свинца против эвтектического состава, в интервале температур от точки / до точки 2 из жидкого сплава выделяются кристаллы свинца

до тех пор, пока жидкий сплав не обогатится сурьмой до 13% и затвердеет при 246° С с образованием эвтектики. Так как до кристаллизации эвтектики выделялись кристаллы свинца, структура после окончательного затвердевания будет: свинец + эвтектика (свинец + сурьма).

В сплаве состава 60% Рb и 40% Sb (рис. 61,г), наоборот, избыток сурьмы, и поэтому в интервале температур от точки 1 до точки 2 выделяются кристаллы сурьмы и жидкий сплав обогащается свинцом до содержания 87% и затвердевает при 246°С с образованием эвтектики. Так как до кристаллизации эвтектики выделялись кристаллы сурьмы, структура после окончательного затвердевания будет: сурьма + эвтектика (свинец + сурьма).

Если перенести с кривых охлаждения критические температуры на сетку в координатах «температура — концентрация», как это показано на рис. 62, и соединить между собой эти точки, то получим диаграмму состояния сплавов свинец — сурьма.

На этой диаграмме линия АСВ — линия начала затвердевания сплавов — линия ликвидуса. Выше температур, образующих эту линию, все сплавы данной системы находятся в жидком состоянии. Линия DCE — линия конца затвердевания — линия солидуса. При температурах ниже этой линии все сплавы данной системы находятся в твердом состоянии. Между этими линиями часть сплава находится в твердом, а часть — в жидком состоянии. По линии АС из жидкого сплава выделяются кристаллы свинца, а по линии СВ — кристаллы сурьмы. Между линиями АС и DC наряду с жидким сплавом будут присутствовать кристаллы свинца, а между линиями СВ к СЕ — жидкий сплав и кристаллы сурьмы. Линия солидуса DCE является также линией образования эвтектики свинец — сурьма. Сплав состава точки С 13% Sb) после затвердевания

состоит только из одной эвтектики свинец — сурьма.

Сплавы, по своему составу лежащие левее эвтектической точки С (на линии

DC) называются доэвтектическими сплавами и после затвердевайия имеют структуру: свинец + эвтектика (свинец + сурьма). Сплавы, по своему составу лежащие правее эвтектической точки С (на линии СЕ) называются заэвтектическими и после затвердевания имеют структуру: сурьма + эвтектика (свинец + сурьма).

Диаграмма состояния свинец — сурьма с условным изображением структур приведена.на рис. 63. Диаграмма состояния позволяет определять составляющие сплава не только качественно, но и количественно. Для количественных определений пользуются правилом отрезков. По этому правилу количество данной составляющей равно отношению отрезка, прилегающего к противоположной составляющей, ко всему отрезку.

Рассмотрим пример: определить количество жидкой и твердой части сплава, содержащего 80% Sb и 20% РЬ при 280°С (рис. 64).

Состав жидкой части сплава при данной температуре определяется точкой

К (20% Sb). Сплав состоит из кристаллов сурьмы (количество ее обозначим Q_Т ) и жидкой части сплава (количество ее обозначим Q_Ж). Линия сплава I — I делит горизонтальную линию КМ длиной 80 единиц (от 20 до 100) на отрезок КЛ длиной 60 единиц (от 20 до 80) и ЛМ длиной 20 единиц (от 80 до 100).

По правилу отрезков:

т. е. этот сплав при 280°С будет состоять из 75% кристаллов сурьмы и 25% жидкого сплава.