Правила построения диаграмм состояния

Диаграммой состояния называется график зависимости темпера­тур фазовых превращений от концентраций сплавов.

Диаграммы состояния строят на основе термического анализа, в результате которого получают кривые охлаждения. Расплавленный металл помещают в калориметр и медленно охлаждают с постоянным теплоотводом. Так как фазовые превращения в металлах и сплавах сопровождаются тепловыми эффектами, то на кривых охлаждения в координатах "температуравремя" можно наблюдать либо остановки (площадки)  тогда фазовые превращения происходят при постоян­ных температурах, либо перегибы за счет изменения скорости охлаждения  тогда фазовые превращения протекают в интервале температур.

Температуры начала и конца фазовых превращений, которые определяются по кривым охлаждения, называются критическими, а соответствующие им точки на кривых охлаждения  критическими точками.

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых не растворяются друг в друге в твердом состоянии

Сплавы, затвердевающие в соответствии с данной диаграммой, характеризуются тем, что их компоненты:

 в жидком состоянии растворяются друг в друге в любых со­отношениях;

 в твердом состоянии совершенно не растворяются один в другом;

 не образуют между собой химических соединений;

 не имеют аллотропических превращений.

Такой тип диаграммы имеют, например, сплавы: свинец-сурьма, серебро-сви­нец, алюминий-олово, свинец-барий, кадмий-висмут, олово-цинк.

Рассмотрим построение диаграммы состояния "свинецсурьма" (PbSb). Для этого берут чистые свинец и сурьму и на их ос­нове готовят ряд сплавов с различным содержанием компонентов. Сплавы расплавляют и при медленном охлаждении с постоянным теплоотводом записывают кривые охлаждения (рис. 5.2).

Начальные точки каждой кривой охлаждения соответствуют ну­левому отсчету времени и отвечают жидкой фазе. Точки излома и горизонтальные площадки являются критическими точками. Чистый свинец (кривая 1) имеет только одну критическую точку при тем­пературе плавления (327С). Чистая сурьма (кривая 6) также имеет одну критическую точку, которая соответствует 631°С. Сплав, содержащий 13% сурьмы и 87% свинца (эвтектический сплав), имеет также одну критическую точку, выраженную горизонтальной площадкой при температуре 246°С (кривая 3). Все остальные сплавы (кривые 2, 4, 5) имеют по две критические точки.

Температуры начала кристаллизации у этих сплавов различны, а температура конца кристаллизации у всех сплавов одна и та же и равна 246°С.

Построение диаграммы состояния проводится в координатах "температураконцентрация компонентов".

Рис. 5.2. Построение диаграммы состояния «свинецсурьма»

по кривым охлаждения

На оси концентраций крайние точки соответствуют чистым компонентам: левая ордина­та – 100% Pb, правая – 100% Sb. Каждая точка этой оси характеризует сплав определенной концентрации. Проводим ордина­ты сплавов, для которых построены кривые охлаждения, и перено­сим на них критические точки. Соединив линией точки начала крис­таллизации сплавов, получим линию АСВ  линию ликвидус.

Линией ликвидус называется геометрическое место точек на­чала кристаллизации. Выше этой линии все сплавы данной системы находятся в жидком состоянии.

Соединив точки конца кристаллизации, получим линию ДСЕ  линию солидус.

Линией солидус называется геометрическое место точек конца кристаллизации. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии. Линия солидус на диаграммах данного типа является ли­нией эвтектического превращения, так как на ней происходит крис­таллизация эвтектики.

Эвтектика представляет собой мелкодисперсную механическую смесь компонентов (свинца и сурьмы) (рис. 5.3) или фаз. Она имеет постоян­ный состав и наименьшую температуру плавления. Затвердевание эвтектики происходит при постоянной температуре.

Рис. 5.3. Микроструктура эвтектического сплава, х250

(Pb – 87%, Sb – 13%)

Сплавы левее точки С называются доэвтектическими, а правее  заэвтектическими. При кристаллизации сплавов, отличающихся по составу от эвтектического, в первую очередь ниже линии ликвидус кристаллизуется избыточный по сравнению с эвтектическим соста­вом компонент. В доэвтектических сплавах ниже линии АС кристал­лизуется свинец (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Микроструктура доэвтектического сплава, х250

(Pb – 94%, Sb – 9%).

Первичные кристаллы свинца и эвтектика

В заэвтектических сплавах ниже линии СВ кристаллизуется сурьма (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Микроструктура заэвтектического сплава, х250

(Pb – 70%, Sb – 30%)

Первичные кристаллы сурьмы и эвтектика

Для анализа фазового состава в любой точке двухфазной об­ласти через эту точку (например N, рис. 5.2) проводится гори­зонтальный отрезок влево и вправо до пересечения с линиями диаг­раммы. Этот отрезок (ав) называется конодой.

Имея коноду, можно ответить на следующие вопросы:

1. Какие фазы существуют в данной точке (N)?  В точке N существуют те фазы, которые находятся в равновесии на концах коноды (жидкость в точке «а» и кристаллы чистого компонента Sb в точке «в»).

2. Каков состав соответствующих фаз?  Состав их таков, каков он в точках на концах коноды (жидкость в точке N имеет состав точки «а», а твердая фаза Sb – состав точки «в»).

3. Каково количественное соотношение фаз?  Если всю коноду принять за 100%, то соотношение отрезков аN и Nв дает соотно­- шение фаз. Здесь действует правило обратной пропорциональности. Отрезок, прилегающий к жидкой фазе (аN), показывает количест-­ во твердой фазы, а отрезок, прилегающий к твердой фазе (Nв), – количество жидкой фазы.

Например, количество жидкой фазы в точке N

,

а количество твердой фазы в точке N (кристаллов Sb)

.

Так как на линии DСЕ во всех сплавах кристаллизуется эвтектика, а при последующем охлаждении вплоть до комнатной тем­пературы структурных изменений в сплавах не происходит, то структура доэвтектических сплавов будет состоять из крупных кристаллов свинца и эвтектики, заэвтектических  из крупных кристаллов сурьмы и эвтектики, а эвтектического сплава  только из эвтектики.