1.9 Диаграмма состояния для сплавов, компоненты которых ограниченно растворимы в твердом состоянии (III рода) (ограниченный твердый раствор).
Оба компонента неограниченно растворимы в жидком состоянии, ограниченно в твердом, и не образуют химических соединений.
Компоненты: А, В. Фазы: L , α, β .
В сплавах такого рода возможно существование: жидкой фазы, твердого раствора компонента В в А, который мы будем называть α-раствором, и твердого раствора компонента А в В, который обозначим через β - раствором. В этих сплавах возможно нонвариантное (безвариантное – нельзя поменять факторы) равновесие при одновременном сосуществовании трех фаз: L , α, β. В зависимости от того, какая реакция протекает в условиях существования трех фаз, могут быть два вида диаграмм: диаграмма с эвтектикой и диаграмма с перитектикой.
Диаграмма с эвтектикой
В этой системе не образуются фазы, представляющие собой чистые компоненты. Из жидкости могут выделяться только твердые растворы α или β. Следовательно, около вертикалей А и В (рис.2.14), соответствующих чистым компонентам, находятся области существования твердых растворов α или β. Предельная растворимость компонента В в А определяется линией DF , а предельная растворимость А в В - линией СG. Линии DF и EK называются линиями предельной растворимости.
Рис.1.19. Диаграмма состояния III рода (а), кривые охлаждения сплавов I, II, III и схемы их структур (б)
Рассмотрим превращении, происходящие в сплаве I (рис.1.19, б).
После полного затвердевания в точке 2I кристаллы имеют состав xi и сохраняют его до точки 3I. При дальнейшем охлаждении концентрация компонента В в твердом α-растворе уменьшается до значения соответствующего точке F. Определим фазовый состав данного сплава при температуре t1 , использую правило отрезков. Через точку m проведем горизонтальную линию до пересечения с линиями диаграммы DF и EK. Проекции точек пересечения a и b на ось концентрации укажут состав фаз. Твердый α-раствор имеет состав, соответствующий xa , а твердый β-раствор – состав, соответствующий К. По мере уменьшения концентрации в твердом α-растворе часть компонента В выделяется из раствора и образует отдельные кристаллы компонента β, называемые вторичными (βII), которые обычно располагаются по границам зерен. Конечная структура данного сплава будет состоять из двух фаз (α + βII).
В сплавах II и III при температуре точек 2 в равновесии находится жидкая фаза состава точки С и твердая фаза состава точки D для сплава II и точки Е для сплава III. При температуре точки 2 из оставшейся жидкости состава точки С одновременно выделяются зерна α-твердого раствора (точка D) и β-твердого раствора (точка Е), образуя эвтектику (α + β) (эвтектическая диаграмма состояния) . Структура сплавов, лежащих левее точки С, состоит из α-кристаллов, эвтектики (α + β) и кристаллов βII , а структура сплавов, лежащих правее точки С - из β-кристаллов и эвтектики (α + β). Фазовые состояния сплавов и их структуры в различных областях диаграммы указаны на рис. 1.19,а.
Диаграмму такого типа имеет система Pb – Sn.
В общем случае линия ЕК не является вертикальной, и поэтому правее точки С будут образовываться сплавы, состоящие из β-кристаллов, эвтектики (α + β) и кристаллов αII.
Кроме того, может быть не эвтектическая (с одновременным образованием двух твердых фаз), а перитектическая диаграмма состояния, когда жидкость реагирует с ранее выпавшими кристаллами и образует новый вид кристаллов L + β > α. Реакция подобного типа называется перитектической рис. 1.20.
Рис.1.20 Диаграмма состояния с перитектикой
Кристаллизация сплава I . Кристаллизация начинается в точке 1 (рис.2.17), когда из жидкости выпадают кристаллы β-раствора состава точки b . Затем по мере снижения температуры жидкость меняет свою концентрацию по линии ликвидус от точки 1 до точки С, а кристаллы b - по линии солидус от точки b до точки D . По достижении перитектической горизонтали CPD состав жидкости будет отвечать точке С, а состав кристаллов - точке D . Эти обе фазы реагируют и дают третью фазу α , концентрация которой определяется точкой Р - третьей точкой на горизонтали. Перитектическая реакция изображается следующим образом: lc + βd = αP или в более общем случае L + β > α , так как точки D и Р показывают предельную концентрацию твердых растворов β и α (для простоты линии предельной растворимости PF и ED даны вертикальными). Кривые охлаждения сплавов I и II показаны на рис.1.21, а и б.
Рис.1.21. Кривые охлаждения сплавов после окончания перитектической реакции, в которых в избытке остаются:
I – твердый раствор α + β .
II – α- раствор.