Диаграммы состояния двойных сплавов.

Для выявления зависимости состояния сплавов от их концентрации и температуры пользуются диаграммами состояния сплавов. Диаграммы состояния представляют собой график в координатах состав сплава – температура, на котором отражены продукты, образующиеся в результате взаимодействия компонентов сплава друг с другом в условиях термодинамического равновесия при различных температурах. Этими продуктами являются вещества, имеющие в зависимости от температуры и состава определенное агрегатное состояние, специфический характер строения и вполне определенные свойства. Их принято называть фазами.

Фазой называется часть системы, имеющая однородное строение и отделенная от других частей поверхностью раздела. В состав фазы может входить любое число компонентов, из которых состоит система.

Системой в термодинамике называют совокупность веществ или тел, между которыми может беспрепятственно проходить обмен энергией и массой.

Жидкая фаза представляет собой раствор расплавленных компонентов. Твердые фазы являются зернами, имеющими определенную форму, размер, состав, специфику строения и свойства.

Диаграмма состояния разделена линиями на области. Отдельные области могут состоять только из одной фазы, а некоторые - из двух, имеющих разные составы, строение и свойства. Анализируя диаграмму состояния, можно составить представление о специфике свойств сплавов данной системы компонентов и характере их изменения в зависимости от состава, а также о возможности термической обработки сплавов и температуре нагрева для ее проведения.

Диаграмма состояния первого рода, соответствует сплавам, компоненты которых в жидком виде неограниченно растворимы, а в твердом состоянии образуют механическую смесь. К таким сплавам относятся свинец – сурьма (Pb-Sb) (Рис.34.), алюминий – кремний (Al-Si), олово – цинк (Sn-Zn).

Построим диаграмму для сплава Pb – Sb.

Для этого возьмем несколько различных сплавов свинца и сурьмы и на вспомогательной диаграмме температура – время найдем точки кристаллизации для каждого из этих сплавов, определим состояние сплавов в процессе охлаждения и перенесем все эти точки в основную диаграмму состояния.

Вначале вычертим кривые охлаждения чистых компонентов Pb и Sb (кривые 1 и 6). Кристаллизация свинца происходит при температуре 327º, а сурьмы при температуре 631º.

Рассмотрим кристаллизацию сплавов следующей концентрации:

1-й: свинца 95%, сурьмы 5%;

2-й: свинца 90%; сурьмы 10%:

3-й: свинца 87%; сурьмы 13%:

4-й: свинца 60%; сурьмы 40%.

Кристаллизация 1-го сплава – кривая 2. до 300º сплав остается жидким, при 300º происходит замедление падения температуры, на кривой образуется перегиб; при этом начинается кристаллизация свинца (так как его здесь большой избыток); температура продолжает понижаться; свинца кристаллизуется все больше; оставшаяся часть жидкого сплава беднеет свинцом и, следовательно, обогащается сурьмой. Когда концентрация сурьмы достигнет 13%, при температуре 246º произойдет окончательная кристаллизация сплава, причем одновременно кристаллизуются оставшиеся свинец и сурьма. При этом будет иметь место температурная остановка. Сплав 1 имеет две точки кристаллизации.

Кристаллизация 2-го сплава – кривая 3. кристаллизация сплава наступает при температуре около 260º, а конец затвердевания – также при 246º, когда концентрация сурьмы в сплаве опять достигнет 13%. Сплав имеет две точки кристаллизации.

Кристаллизация 3-го сплава – кривая 4. До температуры 246º сплав остается жидким, кристаллизация его целиком происходит при температуре 246º. При этом одновременно кристаллизуется свинец и сурьма, которые образуют механическую смесь кристаллов. Этот сплав кристаллизуется при одной температуре, самой низкой для данной системы, он называе6тся эвтектическим и представляет собой равномерную смесь кристаллов.

Кристаллизация 4-го сплава – кривая 5. Этот сплав содержит избыток сурьмы, и в начале кристаллизации выделяются избыточные кристаллы сурьмы. На кривой опять появляется перегиб, характеризующий замедление падения температуры. Жидкий сплав беднеет сурьмой; Когда концентрация сурьмы понизится до 13 %, сплав весь кристаллизуется при температуре 246º.

Так кристаллизуются все остальные сплавы свинца и сурьмы: начало их кристаллизации происходит при разной температуре, а конец кристаллизации – при одной (246º), так как окончательная кристаллизация происходит тогда, когда состав сплава достигает концентрации эвтектики (87 % Pb и 13 % Sb).

Перенесем все точки, полученные на диаграмме температура время, на основную диаграмму состояния.

Соединив все точки начала кристаллизации, получим линию АЕВ, а соединив все точки конца кристаллизации – линию MEN.

Линия АЕВ называется линией ликвидуса (ликвидус – по -латыни «жидкий»), так как все сплавы, лежащие выше этой линии, находятся в этом состоянии (независимо от концентрации свинца и сурьмы). MEN – линия конца кристаллизации называется линией солидуса (солидус – по -латыни «твердый»): все сплавы, лежащие ниже этой прямой, при любой концентрации свинца и сурьмы будут в твердом состоянии. В интервале между линиями ликвидуса и солидуса сплав состоит из двух фаз: жидкого раствора и кристаллов одного из компонентов. В области МАЕ находится жидкий сплав и кристаллы свинца, а в области EBN жидкий сплав и кристаллы сурьмы. Сплавы, содержащие менее 13 % сурьмы, т.е. лежащие влево от эвтектического сплава, называются доэвтектическими, а сплавы, содержащие более 13 % сурьмы и лежащие вправо от эвтектики, - заэвтектическими (Рис.35.). После затвердевания структуры доэвтектического, эвтектического и заэвтектического сплавов будут различны. В доэвтектических сплавах наряду с эвтектикой присутствуют избыточные кристаллы свинца, в эвтектических - только эвтектика, а в заэвтектических – эвтектика с кристаллами сурьмы. Это различие структур и определяет и различие свойств сплавов свинца и сурьмы с разной концентрацией.

Рис. 35. структура сплавов свинец – сурьма:

а – доэвтектический; б – эвтектический;

в – заэвтектический.

Диаграмма состояния второго рода, соответствует сплавам, компоненты которых как в твердом, так и в жидком виде полностью растворимы.

К сплавам образующим твердый раствор, относятся сплавы медь – никель, железо – никель, кобальт – хром и др. Диаграммы строятся, как и предыдущие на основании анализа кривых охлаждения нескольких сплавов с различной концентрацией и чистых компонентов. Построим диаграмму медь – никель (Рис.36.).

Кривая 1 относится к чистой меди, которая кристаллизуется при 1083º С, а кривая 5 к никелю, температура кристаллизации которого 1450º С.

Кривая 2 характеризует кристаллизацию 20-процентного сплава никеля с медью. Началу кристаллизации сплава соответствует точка а; при этом начинают образовываться кристаллы твердого раствора никеля в меди. Далее процесс кристаллизации продолжается несколько замедленно, и в точке в сплав окончательно затвердевает. Таким образом, кристаллизация этого сплава протекает в определенном интервале температур. Аналогично протекает кристаллизация 40-процентного сплава Ni c Cu и кристаллизация 80-процентного сплава Ni c Cu кривая 4.

Соединив точки начала кристаллизации, получим линию ликвидуса АСВ, а соединив точки конца кристаллизации – линию солидуса ADB. Выше линии ликвидуса сплавы Ni c Cu находятся в жидком состоянии, а ниже линии солидуса - в твердом состоянии. В зоне между ACB и ADB имеют две фазы: жидкий сплав и кристаллы твердого раствора меди с никелем. У сплавов типа Cu – Ni начало и конец кристаллизации наступают для сплавов различной концентрации при разных температурах.

Диаграммы состояния третьего рода характерны для сплавов, образующихся при сплавлении компонентов, имеющих ограниченную растворимость друг в друге.

Диаграммы состояния четвертого рода относятся к случаю, когда сплавляемые компоненты при определенном процентном соотношении образуют устойчивое химическое соединение, не диссоциирующее при нагреве вплоть до температуры плавления. В связи с этим его правомерно рассматривать в качестве самостоятельного компонента, способного образовывать сплавы с каждым из исходных компонентов.