2. Строение сплавов

В твердом состоянии в зависимости от характера взаимодействия компонентов могут образовываться твердые растворы (слабое взаимодействие) и химические соединения (сильное взаимодействие) и смеси (отсутствие взаимодействия).

Твердыми растворами называются кристаллические фазы, в которых атомы растворенного элемента размещаются в кристаллической решетке растворителя, либо замещая атомы в узлах решетки, либо внедряясь в междоузлия-поры. В первом случае кристаллы называют твердыми растворами замещения, во втором – твердыми растворами внедрения [2]. Как правило, твердые растворы имеют переменный состав.

Твердые растворы сохраняют решетку атома-растворителя, при этом свойства твердых растворов могут заметно отличаться от свойств образующих его компонентов. Сплавы, состоящие из однородных твердых растворов, пластичны, хорошо прокатываются, куются, прессуются. Твердые растворы имеют высокое электросопротивление и низкий температурный коэффициент электросопротивления. Сплавы – твердые растворы, имеют низкие литейные свойства (плохая жидкотекучесть, склонность к ликвации, к образованию рассеянной пористости и трещин).

Свойства химических соединений – высокая твердость, низкая вязкость. Кристаллическая решетка химического соединения отличается от кристаллических решеток компонентов, входящих в его состав, что обуславливает отличие свойств химического соединения от свойств компонентов.

Лучшие литейные свойства в сочетании с хорошей обрабатываемостью резанием имеют сплавы со структурой эвтектической смеси. Они характеризуются наиболее низкой температурой плавления из всех сплавов системы, высокой жидкотекучестью, незначительной ликвацией. Для получения высоких литейных свойств концентрация компонентов в сплавах должна превышать их максимальную растворимость в твердом состоянии и приближаться к эвтектическому составу. При появлении эвтектики пластичность резко снижается.

3. Типовые диаграммы состояния

Вид диаграммы состояния зависит от того, какие фазы и по каким реакциям образуют компоненты в жидком и твердом состоянии. Из всего многообразия диаграмм рассмотрим следующие наиболее типичные [3, 4]:

1. Диаграмма состояния систем, образующих неограниченные твердые растворы.

2. Диаграмма состояния эвтектического типа с отсутствием растворимости компонентов в твердом состоянии.

3. Диаграмма состояния эвтектического типа с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии.

4. Диаграмма состояния для систем с промежуточной фазой.

3.1. Диаграмма состояния систем, образующих неограниченные твердые растворы

Компоненты: вещества А и В.

Характеристика диаграммы (рис. 1): оба компонента неограниченно растворимы в жидком и твердом состоянии и не образуют химических соединений.

а б

Рис.1. Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состоянии (а) и кривая охлаждения (б)

Точки: А′ – температура плавления и кристаллизация компонента А; В′ – температура плавления и кристаллизации компонента В

Фазы: жидкость L и твердый раствор α.

Названия линий:

• А′1В′ – линия ликвидус (показывает температуру завершения процесса плавления при нагреве или начало кристаллизации при охлаждении);

• А′2В′ – линия солидус (показывает температуру начала плавления при нагреве или завершение кристаллизации при охлаждении).

При температуре выше линии ликвидус существует только жидкая фаза, так как в этой области свободная энергия жидкой фазы ниже свободной энергии твердого раствора. В области ниже линии солидус устойчив α-твердый раствор компонентов А и В, так как его свободная энергия меньше, чем энергия жидкой фазы. Между линиями ликвидус и солидус в равновесии находятся жидкая фаза и α-твердый раствор.

Фазовые превращения при кристаллизации сплавов

Рассмотрим фазовые превращения при охлаждении (процесс кристаллизации), например, сплава N (см. рис.1 а).

Из точки N на оси концентраций восстановим перпендикуляр N–N. Точки пересечения с линиями диаграммы обозначим цифрами 1 и 2.

При понижении температуры до t₁ происходит простое охлаждение ненасыщенного относительно кристаллов жидкого сплава без изменения его состава. Число степеней свободы: С = К+1–Ф =2(А, В)+1–1(L)=2.

В точке 1 жидкость пересыщается кристаллами α и начинается выделение кристаллов (кристаллизация). На кривой охлаждения, которая строится в координатах «температура-время» (см. рис 1, б), отмечается перегиб, связанный с уменьшением скорости охлаждения вследствие выделения скрытой теплоты кристаллизации.

Процесс кристаллизации протекает при понижающейся температуре, так как согласно правилу фаз в двухкомпонентной системе при наличии двух фаз (жидкость и кристаллы α) число степеней свободы С = К+1–Ф=2(А, В)+1–2(L, α)=1.

По мере понижения температуры и протекания кристаллизации меняется весовое соотношение (количество жидкой фазы уменьшается, количество твердой – возрастает) и изменяется химический состав фаз (жидкой – по линии ликвидус, твердой – по линии солидус).

При понижении температуры от t₁ до t₂ состав жидкой фазы меняется по линии 1-2' (проходя точку m), а состав твердой фазы – по линии 1'-2 (проходя через точку n). Это записывают следующим образом:

L_1-m-2′ α_1′-n-2 или L_1-2′ α_1′-2.

Таким образом, выделяющиеся в процессе кристаллизации кристаллы твердого раствора имеют различный, в зависимости от температуры кристаллизации состав. Однако при медленном охлаждении процессы диффузии в жидкой и твердой фазах (объемная диффузия), а также процессы взаимной диффузии между ними (межфазная диффузия) успевают за процессом кристаллизации. Поэтому после затвердевания сплава состав всех зерен твердого раствора будет соответствовать исходному составу сплава.

При достижении температуры t₂ кристаллизация заканчивается. С понижением температуры происходит простое охлаждение сформированного твердого сплава, без изменения состава. Число степеней свободы: С = К+1–Ф=2(А, В)+1–1(α)=2. На термической кривой (см. рис 1, б) будет перегиб, который обусловлен увеличением скорости охлаждения полностью твердого сплава с постепенным затуханием при приближении к комнатной температуре.

Схематическое изображение трансформации структуры сплава при охлаждении и происходящие реакции показаны на рис.1, б.

Микроструктурой твердого раствора под микроскопом имеет вид равноосных зерен (рис.2). Избирательная травимость (разный оттенок серости различных зерен) связана с разной ориентировкой их решеток относительно плоскости шлифа. Темные пятна - дефекты полировки ("грязь").

Описанные выше фазовые превращения при охлаждении сплава N можно кратко записать в следующем виде:

а б

Рис.2. Микроструктура твердого раствора под микроскопом (а, х100) и её схематичное изображение (б)

1. При охлаждении из жидкого состояния до температуры начала кристаллизации t₁ число степеней свободы С=2. Идет простое охлаждение жидкости L_N.

2. При охлаждении в интервале от t₁ до t₂ число степеней свободы С=1. Происходит кристаллизация α-твердого раствора:

L_1-2′ α_1′-2.

3. При охлаждении от t₂ до t_ком число степеней свободы С=2. Идет простое охлаждение α-твердого раствора: α_N.