Основные типы диаграмм состояния сплавов

Для характеристики изменений структуры сплавов в зависимости от состава и температуры строят диа­граммы состояния. Они представляют собой гра­фическое изображение равновесного или неравновесного состояния сплавов и строят их в координатах температу­ра — состав.

Равновесное состояние сплавов достигается при ма­лых скоростях охлаждения или длительном нагреве. Не­равновесное состояние, приводящее к повышению меха­нических и других свойств, характеризуется ограничен­ной устойчивостью и способностью перехода в другие устойчивые состояния.

       Диаграммы состояния обычно строятся с помощью термического метода анализа металлов и сплавов. Сущ­ность метода сводится к определению критических точек металлов и сплавов. Строят кривые охлаждения, кото­рые выражают графическую зависимость между изме­нением температуры металла (сплава) при охлаждении и временем, в течение которого эти изменения происхо­дят. Эти кривые строятся в координатах температура (ось ординат) — время охлаждения (ось абсцисс).

Так как фазовые превращения в металлах и сплавах сопровождаются тепловыми эффектами, то на кривых охлаждения можно наблюдать либо остановки (площад­ки), либо перегибы. Появление площадки говорит о том, что фазовые превращения происходят при постоянной температуре. Перегибы появляютсяв результате изменения скорости охлаждения, в этом случае фазовые превращения протекают в интервале температур.

       Температура начала и конца фазовых превращений, определеяемые по кривым охлаждения, называются критическими. Соответсвующие им точки на кривых охлаждения называются критическими точками.

Диаграмма состояния двойных сплавов — первого ти­па, образующих при затвердевании механическую смесь, характеризует сплавы, компоненты которых в жидком состоянии неограниченно растворимы друг в друге, а в твердом состоянии нерастворимы и не образуют хи­мического соединения. По диаграмме состояния пер­вого типа кристаллизуются сплавы Рb—Sb; Рb—Sn; Zn—Sn и др.

Из приведенных кривых на рис.8,а  чистые металлы (Рb, Sb) и эвтек-тические__сплавы (рис. 8, в) имеют одну критическую точку, а сплавы — две (рис.8 б, г).Верхняя критиче­ская точка соответствует началу, а нижняя — концу за­твердевания, причем нижняя критическая точка для всех сплавов одинакова и равна 246 °С.

Диаграмма состояния (рис.9) сплавов свинец — сурьма. Выше линии АВС все сплавы представляют собой однофазный жидкий раствор (ж. р.). Эта линия называется линией ликвидус (с греч.-жидкий), линия DВE— линия солидус (с греч.- твердый). Ниже линии DВE все сплавы находятся в твердом состоянии. Сплав, соответствующий точке В, называется эвтектичеcким. Для данной системы он имеет строго определенный состав (87% Рb и 13% Sb) и обладает самой низкой температурой плавления (246 °С). Сплавы, расположен­ные влево от эвтектики, называются доэвтектическими, а вправо — заэвтектическими. В доэвтектических спла­вах сначала при охлаждении ниже, линии ликвидус АВ выделяются кристаллы свинца, а в заэвтектических ВС— кристаллы сурьмы. После затвердевания, т.е. ниже ли­нии солидус, доэвтектические сплавы состоят из кристал­лов свинца и эвтектики, а заэвтектические — из кристал­лов сурьмы и эвтектики. Пользуясь диаграммой состояния, можно определить температуру начала и кон­ца кристаллизации сплавов и их строение.

Диаграмма состояния двойных сплавов — второго типа (рис. 10) характеризует сплавы, компоненты которых обладают полной взаимной растворимостью, как в жид­ком, так и в твердом состояниях и не образуют химиче­ских соединений. По диаграмме состояния второго типа кристаллизуются сплавы Сu —Ni, Fе —Ni, Fе — Сг, Вi — Sb и др.  

Линия АтВ — линия ликвидус, линия АпВ — линия солидус, ниже этой линии сплавы находятся в виде твердых растворов (т.р.). Между линией ликвидус и солидус находится двухфазная область, в которой одновременно существуют кристаллы твердого раствора и жидкий раствор.

Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состоянии — третьего типа — характеризует сплавы, у которых оба компонента неограниченно растворимы в жидком состоянии, ограниченно — в твердом, образуют при кристаллизации эвтектику (рис.11). Сюда относятся системы А1 — Сu, Fе — С, Мg —А1, Мg —Zn и др.

Линия АEВ — линия ликвидус, выше этой линии сплавы находятся в жидком состоянии; линия АDЕСВ — линия солидус, ниже этой линии сплавы находятся в твердом состоянии. По линии АЕ выделяются кристаллы твердого раствора компонента F в К, которому присвоено название α-твердого раствора, по линии ВЕ выделяются кристаллы твердого раствора К в F, который обозначим β. Предельная растворимость F в К определяется линией DD', а предельная растворимость К в F определяется линией CC^' .

Как видно из диаграммы, растворимости F в К и К в F меняется с изменением температуры. Может быть такой случай, когда компонент F растворим в К и растворимость изменяется с изменением температуры (линия DD'), а растворимость K в F не изменяется с изменением температуры (линия СG). Область АDЕА представляет собой жидкий раствор и кристаллы твердого α-раствора; область ВЕСВ — жидкий раствор и кристаллы твердого β-раствора; область АDD'КА — кристаллы твердого α-раствора; область ВСС'FВ — кристаллы твердого β-раствора. Область DЕЕ'J — эвтектику, кристаллы α-раствора и β_II-фазы; область ЕGGЕ' — эвтектику, кристаллы β-раствора и α_II-фазы)

Диаграмма состояния с устойчивым химическим соединением — четвертого типа - характеризует сплавы, компоненты которых неограниченно растворимы и в жидком состоянии, нерастворимы в твердом и образуют устойчивое химическое соединение (рис.12). К таким системам относятся сплавы Мg - Cu и др.

Линия АЕ₁СЕ₂В — линия ликвидус. Эта диаграмма как бы составлена из двух диаграмм первого типа. Химическому соединению К_пF_т соответсвует точка С. На диаграмме эвтектический сплав, соответствующий точке Е₁ , представляет собой механическую смесь кристаллов К и химического соедине­ния К_пF_т, а эвтектический сплав Е₂ - смесь кристаллов F и химического соедине­ния К_пF_т.

Фазовый состав диаграммы может быть определен по аналогии с диаграммой первого типа.

Правило фаз и отрезков

Фазами могут быть жидкие растворы, твердые рас­творы и химические соединения. Следовательно, однород­ная жидкость представляет собой однофазную систему, механическая смесь двух видов кристаллов — двухфаз­ную систему и т. д.

Под числом степеней свободы (вариантно­стью) системы понимают число внешних и внутренних факторов (температура, давление и концентрация), ко­торые можно изменять без изменения числа фаз в системе.

Количественную зависимость между числом степеней свободы системы, находящейся в равновесном состоянии, и числом компонентов и фаз принято называть правилом фаз (закон Гиббса). Правило фаз для металлических систем выражается уравнением С = К - Ф + m, где С —число степеней свободы системы; К —число ком­понентов; Ф — число фаз; т — число внешних факторов (температура, давление).       

Если принять, что все превращения происходят при постоянном давлении (Р = const), это уравнение примет следующий вид: С = К – Ф + 1, где 1 - внешний переменный фактор (температура).

Пользуясь правилом фаз, рассмотрим, как происхо­дит изменение числа степеней свободы однокомпонентной системы для случая расплавленного чистого метал­ла (К=1; Ф=1) С = 1-1 + 1 = 1, т.е. температуру мож­но изменять не меняя числа фаз. Такое состояние системы называют моновариантным (одновариантным). В процессе кристаллизации Ф = 2 (две фазы — жидкая и твердая), а К=1, тогда С= 1-2+1=0. Это значит, что две фазы находятся в равновесии при строго опре­деленной температуре (температура плавления), и она не может быть изменена, пока одна из фаз не пропадет. Такое состояние системы называют нонвариантным} (безвариантным).Для диухкомпонентной системы, на­ходящейся в жидком состоянии (К = 2; Ф=1), правило фаз имеет вид С = 2-1 + 1=2, такая система называет­ся бивариантной (двухвариантной). В этом случае воз­можно изменение двух факторов равновесия (темпера­туры и концентрации), число фаз при этом не меняется. Для этой же системы при существовании двух фаз (жид­кой и твердой) К=2, Ф = 2, согласно правилу фаз С = 2—2+1 = 1, т.е. с изменением температуры концент­рация должна быть строго определенной.

Применение правила фаз для диаграммы состояния первого типа(см. рис. ). Пользуясь этой диаграммой, можно определить фазовое состояние спла­вов любого состава при любой температуре. Так, напри­мер, в области 1 существует одна фаза — жидкий раствор. Правило фаз запишется в виде С = К – Ф + 1 = 2- 1 + 1 = 2, т. е. система имеет две степени свободы. Для остальных областей 2, 3, 4 и 5 система ха­рактеризуется одной степенью свободы (С = 2 – 2 +  1 = 1).

Для определения количества составляющих пользу­ются правилом отрезков. Например, из точки к (см. рис.) проводят перпендикуляр I-I, со­ответствующий сплаву, содержащему 80 % Sb и 20 % Pb. Затем при заданной температуре t₁ через точку d прово­дят горизонтальную прямую до пересечения с линиями, ограничивающими данную область диаграммы, получая таким образом точки е и b.

Если обозначить массу жидкости буквой Ж, а массу всего сплава буквой В, то мождо записать Ж/В = db/eb. Если массу всего сплава принять за 100%, то количество жидкой фазы определится соотношением

Ж = db/eb · 100 %.

По аналогии, для твердой фазы:

Т=ed/eb·100%.

Перпендикуляр I-I делит линию еb в 60 единиц (от 40 до 100 % по оси концентраций) на отрезки еb=40 ед и db=20ед. Таким образом из приведенных выражений находим, что искомый сплав при температу­ре t₁  будет содержать 33 % жидкого сплава и 67 % твер­дой фазы.

Правило отрезков позволяет определить также и кон­центрацию компонентов в фазах. Так, выше точки 1 сплав находится в однофазном состоянии, и концентрация ком­понентов в жидком сплаве определяется проекцией этой точки на ось концентраций. При температуре  концент­рация компонента 5Ь в жидкости определяется проекци­ей точки е.

Выделяющиеся же кристаллы представляют чистую сурьму, так как точка Ь лежит на вертикальной оси 5Ь, 100%.