Диаграмма с идеальной эвтектикой

В диаграммах с эвтектикой линии ликвидуса и солидуса касаются друг друга в точке С, то есть существует такой сплав, который кристаллизуется не в интервале температур, а при постоянной температуре Т_э.

Сплавы, расположенные слева от точки С, называются доэвтектическими, справа от неё располагаются заэвтектические сплавы, а точке С соответствует сплав эвтектического состава.

Рассмотрим кристаллизацию доэвтектического сплава I-I. При охлаждении сплава ниже температуры ликвидуса T_L^I из жидкого раствора начинают выделяться кристаллы компонента А. Жидкость по мере увеличения количества твердой фазы обогащается компонентом В. Нода жидкой фазы в процессе кристаллизации перемещается по ликвидусу, приближаясь к точке С. При температуре эвтектического солидуса Т_э жидкая фаза имеет эвтектический состав точки С. Жидкая фаза эвтектического состава при эвтектической температуре претерпевает эвтектическое превращение, которое состоит в образовании одновременно кристаллов двух твердых фаз чистых компонентов А и В:

ж(С)  А+В.

Превращение идет до полного исчезновения жидкой фазы и является нонвариантным.

В соответствии с правилом фаз Гиббса число степеней свободы равновесной системы равно разности между числом компонентов k и количеством фаз f плюс 1:

с = k – f + 1.

В приложении к системам сплавов под числом степеней свободы следует понимать количество внешних и внутренних переменных, которые могут быть изменены без изменения числа фаз.

В эвтектическом превращении принимают участие три фазы одна жидкая и две твердых, количество компонентов равно 2 (А и В), а значит число степеней свободы равно 0:

c= k – f + 1 = 2 – 3 + 1 = 0.

Следовательно, эвтектическое превращение протекает при постоянной температуре, а химический состав фаз остается неизменным, для жидкости он соответствует точке С.

В заэвтектических сплавах протекают аналогичные превращения, с той лишь разницей, что по достижении ликвидуса из жидкого раствора первоначально будет кристаллизоваться компонент В.

Жидкая фаза при этом будет обогащаться компонентом А, также приближаясь (по ликвидусу) к эвтектическому составу точки С и, когда достигнет его при температуре Т_э, произойдет эвтектическое превращение, точно такое же, как в доэвтектическом сплаве. При затвердевании сплава эвтектического состава (состава точки С) предварительного выделения кристаллов избыточных твердых фаз не происходит, сразу происходит эвтектическое превращение, начинаясь и заканчиваясь при одной температуре, поскольку у этого сплава ликвидус и солидус совпадают: T_L = T_S = T_э.

Д иаграммы с ограниченными твердыми растворами

с эвтектикой и с перитектикой

Следует отметить, что рассмотренная выше система с эвтектикой является идеальной, в том смысле, что образование фаз, состоящих из чистых компонентов, в многокомпонентном сплаве невозможно. В каждой фазе многокомпонентного сплава обязательно присутствуют все компоненты. Поэтому фазы, составляющие эвтектическую смесь, могут представлять собой твердые растворы и химические соединения. При этом твердые растворы могут иметь настолько ограниченную рас-творимость, что на диаграмме состояния область гомогенности такого раствора не обозначается из-за масштабных соображений. Превращения в такой системе аналогичны рассмотренным ранее в системе с идеальной эвтектикой. Эвтектическое превращение протекает при температуре Т_э во всех сплавах, фигуративные линии которых пересекают эвтектический солидус EСF, и состоит в одновременной кристаллизации -твердого раствора состава точки Е и -твердого раствора состава точки F из жидкости состава точки С:

ж(С)  (E) + (F).

В результате эвтектической кристаллизации образуется смесь кристаллов - и -твердых растворов.

В некоторых системах протекает перитектическое превращение, которое состоит в том, что при температуре перитектического солидуса жидкая фаза состава точки N взаимодействует с ранее образовавшимися кристаллами -твердого раствора состава точки F и в результате образуется новая твердая фаза -твердый раствор состава точки J.

Число степеней свободы системы при перитектическом превращении равно 0. Следовательно, перитектическое превращение тоже является нонвариантным, то есть оно протекает при постоянной температуре, и в нем могут участвовать фазы только определенного химического состава.

Перитектическое превращение протекает во всех сплавах системы, фигуративная прямая которых пересекает перитектический солидус NJF. Однако в сплавах, расположенных справа от точки J, например в сплаве I-I, после завершения перитектической реакции остается избыток -твердого раствора, который из-за снижения растворимости в нем компонента А при дальнейшем охлаждении может превращаться в -твердый раствор. В сплавах, расположенных слева от точки J, после завершения перитектического превращения остается жидкость, из которой при охлаждении кристаллизуется непосредственно -твердый раствор.

Диаграммы с образованием химического соединения

В системах металлических сплавов возможно образование химических соединений, одни из которых сохраняют свою кристаллическую структуру вплоть до полного расплавления сплава, то есть плавятся конгруэнтно. Такое химическое соединение A_mB_n плавится (кристаллизуется) при постоянной температуре и является наиболее тугоплавким по сравнению с близкими по составу сплавами.

Химическое (интерметаллидное) соединение может иметь область гомогенности и существовать в интервале концентраций, образуя на своей основе твердые растворы, но встречаются химические соединения, которые могут существовать только при стехиометрическом соотношении компонентов

В системах металлических сплавов могут образовываться и нестойкие химические соединения, которые до плавления распадаются с образованием других фаз, а при затвердевании сплавов образуются из жидкой и другой твердой фаз путем перитектического превращения. Такие соединения называются инконгруэнтными.

В системах металлических сплавов протекают и твердофазные превращения, которые тоже отражают диаграммы состояния.

Фазовые превращения в твердом состоянии могут быть вызваны расслоением твердых растворов, полиморфным превращением или протеканием нонвариантных реакций, например, эвтектоидной реакции. Эвтектоидное превращение аналогично эвтектическому, но протекает с участием только твердых фаз. А именно, одна твердая фаза фиксированного состава превращается в эвтектоидную смесь кристаллитов двух других твердых фаз, состав которых в течение превращения не изменяется.

Диаграммы состояния реальных двухкомпонентных систем могут быть очень сложными и, как правило, являются комбинациями рассмотренных типов диаграмм.

Б ольшинство реальных технических сплавов являются многокомпонентными, и для полного фазового анализа должны быть интерпретированы не двойными, а хотя бы тройными диаграммами состояния.

Т ройные системы описываются объемными диаграммами состояния, которые представляют собой трехгранную призму, сверху ограниченную поверхностью ликвидуса. В основании призмы лежит равносторонний концентрационный треугольник, каждому углу которого соответствует 100% одного из трех компонентов A, B C. Стороны концентрационного треугольника показывают состав сплавов трех бинарных систем A-B, B-C A-C, а каждой точке, например точке К, внутри треугольника соответствует один из трехкомпонентных сплавов тройной системы A-B-C.

По вертикали изменяется температура. Боковые грани призмы представляют собой диаграммы состояния соответствующих бинарных систем. Для системы тройных сплавов линии ликвидуса и солидуса преобразованы в поверхности ликвидуса и солидуса. А, например, в тройной диаграмме эвтектического типа точки двухфазных эвтектик C₁, C₂ и С₃ превращены в эвтектические линии C₁С, C₂С и С₃С, которые сходятся в точке трехфазной эвтектики С.

В тройных диаграммах действуют все те же правила, что и в двойных: правило фаз Гиббса, правило отрезков и т.п.

Лекция 3.