4. Диаграмма состояния сплавов для случая неограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии

Неограниченной растворимостью в твердом состоянии обладают многие двойные сплавы: Fe — Cr, Fe — V, Си — Аи, Си — Ni и др. На рис. 65 приведена диаграмма состояния сплавов медь — никель с условным изображением структур.

На этой диаграмме верхняя линия — это линия ликвидуса, а нижняя — линия солидуса. Выше линии ликвидуса все сплавы находятся в жидком состоянии, ниже линии солидуса — в твердом состоянии. Между линиями ликвидуса и солидуса происходит затвердевание сплавов и они находятся частично в жидком, а частично в твердом состоянии.

Структура всех этих сплавов должна в условиях равновесия быть однородной, состоять из зерен, представляющих собой твердый раствор одного компонента в другом, а микроструктура таких сплавов должна быть такой же, как у чистых металлов, т. е. такой, как это схематически показано на рис. 58.

Рассмотрим процесс кристаллизации какого-либо сплава по этой диаграмме, т. е. в полностью равновесных условиях при очень медленном охлаждении.

Пусть кристаллизуется сплав I — I состава 50% Си + 50% Ni (рис. 66). При температуре t_л начинается кристаллизация и образуются первые кристаллы. На всякой диаграмме состояния состав твердой части сплава (состав кристаллов, которые могут находиться в равновесии с жидкостью) при данной температуре показывает линия солидуса. Следовательно, первые образовавшиеся кристаллы будут иметь состав точки М. При дальнейшем охлаждении, когда сплав достигнет,

например, температуры t₁ в равновесии с жидкостью уже могут быть только кристаллы состава точки Л.

Каким же образом ранее образовавшиеся кристаллы состава точки М превращаются в кристаллы состава точки Л? Ведь в кристаллах состава М больше никеля, чем в кристаллах состава Л, следовательно, кристаллы состава М обогащаются медью. Этот процесс происходит за счет диффузии атомов меди в уже имеющиеся, т. е. возникшие до этой температуры, кристаллы. При достаточной выдержке или медленном охлаждении при t₁ установится равновесие кристаллов состава точки Л и жидкого сплава. Но в кристаллах состава точки Л никеля больше, чем в сплаве, следовательно, жидкая часть сплава должна быть беднее никелем. При этой температуре состав жидкой части сплава определяется линией ликвидуса, т. е. точкой N.

При дальнейшем охлаждении, когда сплав достигнет температуры t₂ и установится равновесие, сплав будет состоять из кристаллов твердого раствора состава точки К и жидкой части сплава состава точки Р.

Таким образом, чем ниже температура, тем больше кристаллов твердого раствора и тем они по составу ближе к исходному (т. е. в данном случае 50% Си и 50% Ni). Наконец, при достижении температуры t_с сплав полностью затвердеет и будет состоять из однородных кристаллов твердого раствора. Так будет идти процесс при условии очень медленного охлаждения, когда состав кристаллов успевает полностью выровняться.

При ускоренном охлаждении (в реальных условиях охлаждения) состав кристаллов не получается однородным. Неоднородность состава внутри кристалла называется внутрикристаллитной ликвацией, а так как такая неоднородность связана с дендритным характером кристаллизации, то эту неоднородность по составу называют также дендритной ликвацией.

Если сплав с такой структурой нагреть до температуры, близкой к линии солидуса, и длительное время выдержать, то структура становится более однородной.