2. Диаграмма состояния сплавов, образующих механические смеси из чистых компонентов

(Sn - Pb, Pb - Sb, Sn - Zn и др.)

В твердом состоянии компоненты нерастворимы друг в друге и не образуют химических соединений. Диаграмма таких сплавов приведена на рис.6.

Рис.6. Диаграмма состояния сплавов, образующих механические смеси

На рис.6 линия АЕВ - линия ликвидус, линия FEN – линия солидус.

Для анализа данной диаграммы рассмотрим процессы кристаллизации трех сплавов: эвтектического (сплав 1 ), доэвтектического (сплав П) и заэвтектичес-кого (сплав Ш).

Сплав 1. Кристаллизация этого сплава начинается и заканчивается при постоянной температуре – точке Е; при этом из жидкости состава точки Е выделяется смесь двух фаз – чистых компонентов А и В:

(эвтектика) (2)

Механическая смесь двух твердых фаз, одновременно кристаллизующихся при постоянной температуре из жидкого сплава определенного состава, называется эвтектикой (т.е. легкоплавящейся). Для эвтектики характерно определение количественное соотношение фаз:

,

.

Эвтектика имеет постоянный химический состав, не меняющийся с температурой.

Сплав II. Кристаллизация этого сплава начинается при температуре 1. Чтобы узнать состав кристаллов, выделяющихся при этой температуре, проводим коноду внутрь исследуемой области диаграммы до пересечения с первой встретившейся линией диаграммы 1. Таким образом, из сплава II в точке 1 начинают выпадать кристаллы компонента А (точка 1). Значит, в данной области будут две фазы: Ж + А.

При дальнейшем охлаждении оставшаяся жидкость будет обедняться компонентом А вплоть до достижения температуры 2, соответствующей эвтектическому превращению. Формула первичной кристаллизации для сплава II:

,

т.е. выпадает твердая фаза постоянной концентрации. В точке 2 оставшаяся жидкость затвердевает в эвтектику (Ж_Е Э_Е). Далее происходит физическое охлаждение образовавшейся структуры А + Э.

Для сплава III ход рассуждения аналогичен, как и для сплава II. Схемы структур сплавов I , II и III при комнатной температуре показаны на рис.7.

а) б) в)

Рис.7. Схемы структур сплавов I (а), II (б), III (с), изображенных на рис.6

Сплавы I, II и III подвергают лишь рекристаллизационному отжигу и отжигу для снятия внутренних напряжений, возникающих при технологических операциях.

3. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых ограниченно растворимы в твердом состоянии и образуют эвтектику

На рис.8 представлена диаграмма состояния сплавов двух компонентов А и В для случая, когда образуются ограниченные твердые растворы  и . -твердый раствор является твердым раствором компонента В в компоненте А с переменной растворимостью. Линия ав – линия предельной растворимости компонента В в компоненте А. Максимальное содержание компонента В в - фазе определяется точкой а и при охлаждении снижается до точки в.

-твердый раствор - это твердый раствор компонента А в компоненте В. Предельная концентрация компонента А в фазе  определяется линией сd, и эта концентрация не изменяется.

Линия ликвидус АЕВ, линия солидус АаЕсВ, линия эвтектического превращения – аЕс.

Рис.8. Диаграмма состояний сплавов, образующих ограниченный

твердый раствор и эвтектику

Для анализа диаграммы необходимо рассмотреть пять сплавов - I, II, III, IV, V.

Проследим за процессом кристаллизации сплава I. Процесс кристаллизации сплава начинается при температуре 1, появляются первые кристаллы твердого раствора , состав которых определяется проекцией точки 1 на ось концентраций. При дальнейшем понижении температуры продолжается выпадение кристаллов твердого раствора  различной концентрации. Кристаллизация сплава заканчивается в точке 2. Формула первичной кристаллизации:

.

В условиях медленного охлаждения вследствие диффузии различный состав выпавших кристаллов твердого раствора успевает выровняться и все -кристаллы принимают одинаковый состав (однородная зернистая структура), отвечающая среднему составу сплава.

При охлаждении от температуры 2 до температуры 3 химический состав  не изменяется, происходит лишь физическое охлаждение сплава. При температуре, соответствующей точке 3, начинается вторичная кристаллизация сплава, заключающаяся в том, что из -твердого раствора выделяются твердые кристаллы новой фазы. Чтобы узнать, какие кристаллы будут выпадать из -твердого раствора при температуре 3, проведем изотерму (коноду) из точки 3 во внутрь исследуемой области до пересечения с первой линией на диаграмме. Точка 3 показывает, что выделяются кристаллы компонента . По мере понижения температуры сплава процесс выделения кристаллов  из твердого раствора  продолжается. Концентрация -твердого раствора изменяется по линии ав (например, при температуре t₁ его концентрация определяется проекцией точки m на ось концентраций). При комнатной температуре состав -твердого раствора соответствует точке в. Формула вторичной кристаллизации будет выглядеть следующим образом:

. (3)

Кристаллы , выделяющиеся из твердого раствора, называются вторичными кристаллами и обозначаются _П. Этим подчеркивается, что они выпали из твердого раствора, а не из жидкого.

Следовательно, ниже точки 3 структура сплава будет состоять из кристаллов -твердого раствора и вторичных кристаллов _II (рис.9).

Сплавы с вторичной кристаллизацией представляют для практики большой интерес, так как они могут менять строение и соответственно свойства в зависимости от скорости охлаждения. Эти сплавы можно подвергать закалке и старению.

а) б) в) с)

Рис.9. Схемы структур сплавов I (а), II (б), III (в), IV (с), изображенных на рис.8

Закалке можно подвергать сплав I, так как в сплаве есть превращение в твердом состоянии и образуется ограниченный твердый раствор, уменьшающийся с понижением температуры.

Для проведения закалки сплав I необходимо нагреть до температуры, несколько выше критической точки 3 (рис.8) и после выдержки быстро охлаждать, например в воде. При этом диффузионные процессы, связанные с образованием _II, не успевают произойти. В твердом растворе будет растворено количество В, определяемое отрезком А4 (вместо нормальной растворимости Ав при медленном охлаждении). Такой твердый раствор называют пересыщенным (_{пересыщ}).

Структура пересыщенного -твердого раствора является состоянием неравновесным. Поэтому с течением времени _{пересыщ} будет стремиться выделить из себя избыток  и перейти в равновесное (естественное) состояние . Если это выделение  из _{пересыщ} произойдет при комнатной температуре, то такое явление называется естественным старением. Если же закаленный сплав нагревают, то этот процесс называют искусственным старением. При этом максимальная температура нагрева при искусственном старении не должна превышать температуру 3. В случае нагрева выше точки 3 полностью ликвидируется эффект пересыщения твердого раствора.

Следовательно, строение сплава I в точке 4 может быть различным. Один и тот же сплав, имеющий разное строение, обладает и разными механическими свойствами. Графики возможных видов термической обработки и строение сплава I приведены на рис.10.

Для сплава II кристаллизация начинается при температуре 5, выпадают кристаллы -твердого раствора состава 5. При температуре 6 кристаллы  имеют

концентрацию точки а, а жидкость – эвтектическую концентрацию. Формула первичной кристаллизации:

.

Формула эвтектической реакции:

.

По окончании затвердевания в точке 6 сплав II будет иметь структуру  +эвтектика ().

При дальнейшем охлаждении сплава (от точки 6) концентрация твердого раствора меняется по линии ав и, соответственно, из  выпадают кристаллы _II. Таким образом, ниже точки 6 структура сплава состоит из кристаллов твердого раствора , кристаллов _II и кристаллов эвтектики. Выпадение кристаллов _II можно предотвратить, если сплав от точки 6 охладить быстро, то есть если провести закалку.

У сплава III одна критическая точка Е, при которой происходит эвтектическое превращение:

(Э).

В результате кристаллизации этот сплав имеет эвтектическую структуру.

Для заэвтектического сплава IV первичная кристаллизация сопровождается выделением -фазы, богатой компонентом В, что приводит к обеднению жидкого раствора этим элементом. Формула первичной кристаллизации:

.

При охлаждении до температуры точки 9 фазовый состав будет Ж_Е + _с, при этом количество -фазы определяется отрезком Е9, а жидкой фазы – отрезком 9С. При температуре точки 9 жидкая часть сплава превратится в эвтектику (_а_с):

(эвтектика).

Все сплавы от точки а до точки с содержат эвтектику, количество которой тем больше, чем ближе состав к эвтектическому.

Превращения в сплаве V протекают аналогично сплавам, рассмотренным на рис.2.

Ограниченную растворимость в твердом состоянии имеют сплавы, приме-няемые в технике: Al-Cu (дюралюминий), Cu-Zn (латунь), Cu-Sn ( бронза).