Растворимости компонентов в твердом состоянии

Диаграмма состояния сплавов с практически отсутствием

Сплавы таких компонентов при переходе из жидкого состояния в твердое образуют гетерогенную смесь зерен чистых металлов. К числу таких систем относятся Sn - Zn, Pb - Sb и др.

Рассмотрим кривые охлаждения сплавов системы свинец - сурьма, имеющих различный химический состав (рис. 18, а, б).

Рис. 18. Кривые охлаждения сплавов и построение диаграммы состояния

сплавов системы Pb - Sb

Кристаллизация чистого свинца (кривая I) начинается в точке 1 и заканчивается в точке 1'. Кристаллизация протекает при постоян­ной температуре 327° С. Выше этой температуры свинец находится в жидком состоянии, ниже (отрезок 1'—2) свинец находится в твер­дом состоянии; происходит только его охлаждение. На участке 1 - 1' в соответствии с правилом фаз k = 1 (чистый свинец) f = 2 (жидкий свинец и кристаллы свинца). Следовательно,

с = k - f + 1 = 1 – 2 + 1 = 0,

т. е. изменения температуры не должно про­исходить.

Аналогично происходит и кристаллизация сурьмы при темпе­ратуре 630° С (кривая V).

Кривая охлаждения сплава III (13 % Sb и 87 % Рb) аналогична кривым охлаждения свинца и сурьмы. На кривой охлаждения имеется также только одна температурная остановка 2 - 2', т. е. кристаллизация этого сплава происходит при постоянной темпера­туре 246° С. Особенность кристаллизации сплава заключается в том, что происходит одновременная кристаллизация обоих компонентов, т. е. одновременно появляются и растут кристаллы свинца и сурьмы и таким образом образуется мелкокристаллическая гетерогенная смесь обоих компонентов.

Гетерогенная смесь двух (или более) разнородных кристаллов, одновременно кристаллизующихся из жидкости, называется эвтек­тикой.

Температура кристаллизации или при нагреве температура плав­ления (Т_кр» Т_пл) сплавов эвтектического состава наименьшая по сравнению с любым другим сплавом этой системы.

В точке 2' кристаллизация заканчивается и далее (отрезок 2' - 3) происходит только охлаждение затвердевшего сплава. Для этого случая по правилу фаз имеем К = 2 (сурьма и свинец), f = 3 (кри­сталлы свинца и сурьмы и жидкий сплав), с = 0. Так как с = 0, то кристаллизация сплава эвтектического состава должна проте­кать при постоянной температуре.

Кристаллизация сплава II (5 % Sb и 95 % Рb) происходит иначе, чем сплавов I, V и III. На кривой охлаждения этого сплава имеются две критические точки: точка перегиба 1 (296° С) и температурная остановка 2 - 2' (246° С). Выше точки 1 сплав находится в жидком состоянии, в точке 1 начинается кристаллизация сплава - появ­ляются первые зародыши зерен свинца. Выделение и рост зерен избыточного свинца продолжаются до точки 2. При этой темпера­туре часть сплава, оставшаяся в жидком состоянии, будет иметь эвтектический состав (13 % Sb и 87 % Рb) и ее кристаллизация будет происходить при постоянной температуре, равной температуре кристаллизации эвтектики (отрезок 2 - 2¢). В точке 2' кристаллиза­ция заканчивается, отрезок 2' - 3 - охлаждение затвердевшего сплава.

При кристаллизации сплава IV (40 % Sb и 60 % Рb) на кривой охлаждения также имеются две критические точки: точка пере­гиба 1 (395° С), соответствующая началу кристаллизации сплава, и температурная остановка 2 - 2' (246° С). Сказанное о кристалли­зации сплава II относится и к сплаву IV, отличие лишь в том, что в точке 1 в процессе кристаллизации происходит образование кри­сталлов сурьмы.

Характерная особенность кристаллизации сплавов II и IV: кристаллизация происходит в интервале температур - от точки 1 до точки 2. Это подтверждается и правилом фаз. На участке 1 - 2 имеются две фазы: жидкость и кристаллы свинца (сплав II) или жидкость и кристаллы сурьмы (сплав IV). Отсюда с = 2 - 2 + 1 = 1, т. е. температура будет переменной.

Полученные критические точки переносят на диаграмму, где координатами будут концентрация и температура. Если затем соединить линией все точки начала кристаллизации (линия АСВ) и точки конца кристаллизации (линия DCF), то получим диаграмму состояния системы Рb - Sb (рис. 18, а). Линия АСВ, представляю­щая собой геометрическое место точек ликвидус, называется линией ликвидус, выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоя­нии. Линия DCF - геометрическое место точек солидус - назы­вается линией солидус, ниже этой линии все сплавы находятся в твер­дом состоянии.

На рис. 18, б приведена диаграмма состояний Рb - Sb, но с ука­занием фазового состава и структуры в различных областях диа­граммы. Сплавы, расположенные левее точки С, т. е. содержащие меньше 13 % Sb, называются доэвтектическими.

Сплав, отвечающий составу эвтектики (13 % Sb), называется эвтектическим (рис. 18, б).

Сплавы, лежащие правее точки С (содержащие больше 13 % Sb), называются заэвтектическими. Их структура - избыточные кри­сталлы сурьмы и эвтектика.

Пользуясь диаграммой состояния, можно легко определить температуру начала и конца плавления для любого сплава данной системы (а также структурные составляющие, которые имеет сплав в твердом состоянии). Для этого на оси абсцисс находят точку, отве­чающую концентрации рассматриваемого сплава, и через нее про­водят вертикальную линию (линию сплава). Точки пересечения с линиями солидус и ликвидус соответствуют температуре начала и конца плавления.

Пользуясь диаграммой состояния, можно для любой температуры определить не только число фаз, но и их состав и количественное соотношение, применив правило отрезков.

Правило отрезков (правило рычага) может быть использовано только для тех областей диаграммы, в которых сплавы находятся в двухфазном состоянии. Предположим, следует определить состав фаз для сплава 1 при t₁ (точка а на рис. 18, б). Для этого через точку а, характеризующую состояние данного сплава, надо провести горизонтальную линию (коноду) до пересечения с линиями диаграммы состояния, ограничивающими данную двухфазную область (линия bq на рис. 18, б). Точки пересечения b и q проектируют на ось концен­траций. Проекция точки b точка b' покажет состав жидкой фазы, а точки q – точка q' -твердой фазы (для данной системы это чи­стая сурьма). С понижением температуры состав фаз будет изме­няться. За счет роста зерен сурьмы содержание ее в жидком сплаве будет уменьшаться. При температуре t₂ состав жидкой среды опре­деляется проекцией точки т на ось концентраций, т. е. точкой т'.

При 246° С состав жидкой фазы определяется соответственно точкой С (13 % Sb). Таким образом, независимо от общего содержа­ния компонентов в сплаве эвтектика во всех сплавах данной системы будет иметь один и тот же химический состав.

Второе положение правила отрезков позволяет определять ко­личественное соотношение фаз при любой температуре. Для этого также проводят через точку а коноду. Количество (масса) фаз обратно пропорционально отрезкам проведенной коноды.

Если принять, что отрезок bq выражает количество всего сплава, то количество выделившейся избыточной сурьмы соответствует отрезку bа, жидкой фазы — отрезку aq. Для определения относи­тельного весового количества фаз пользуются отношениями

Q_ж/Q_C = aq/bq;

Q_sb/Q_c = ba/bq;

Q_ж/Q_sb = aq/ba, (13)

где Q_ж - количество жидкого расплава;

Q_sb - количество кристаллов сурьмы;

Q_c - количество всего сплава.

Дата добавления: 2014-01-05