Диаграмма состояния для сплавов образующие механические смеси из чистых компонентов

Рассмотрим сплавы, компоненты которых A и B, неограниченно растворяются друг в друге в жидком состоянии, а в твёрдом состоянии не растворяется друг в друге, и химически не взаимодействуют. В таком случае наблюдается образование в сплаве механической смеси чистых компонентов A и B. Например, свинец-сурьма (Pb – Sb). Диаграмма состояний для подобных сплавов имеет следующий вид:

На этой диаграмме линия CED – ликвидус. Эта линия показывает температуры начало процесса кристаллизации сплавов разных составов. Линия FG – линия солидус, которая показывает температуры завершения процесса кристаллизации. Выше линии ликвидус все сплавы находятся в жидком состоянии, а ниже линии солидус только в твёрдом состоянии. Рассмотрим процесс затвердевания сплавов различного состава (I, II, III). Сплав II выше точки E находится в жидком расплавленном состоянии. В точке E (на линии FG) наблюдается кристаллизация данного сплава, при этом из жидкой фазы одновременно выпадают кристаллы чистого компонента A и B, образуя механическую смесь. Данная реакция идёт при постоянной температуре. Механическую смесь двух или более твёрдых фаз образуется из жидкой фазы, называют эвтектикой. Соответствующий процесс образования эвтектики, называется эвтектическое превращение. В данном случае схема эвтектической реакции следующая:

Здесь и в дальнейшем, нижний индекс будет обозначать химический состав. После завершения эвтектического превращения, сплав II состоит из эвтектики, представляющий механическую смесь чистых компонентов A и B, такая структура сохраняется до комнатной температуры. Такой сплав II называется эвтектическим. Как видно этот сплав отличается самой низкой температурой кристаллизации. Кривая охлаждения для эвтектического сплава II будет иметь вид.

Сплав I выше точки 1 находится в жидком расплавленном состоянии. В точке 1 начинается процесс кристаллизации. При этом из жидкости начинают появляется кристаллы чистого компонента A. По мере уменьшения температуры доля этих кристаллов нарастает, а относительное количество жидкого расплава уменьшается. Долю жидкой и твёрдой фазы можно определить с помощью правила отрезков. При температуре l в данном сплаве будет:доле твёрдой фазы, а отношение доле жидкой фазы. При этом химический состав жидкой фазы определяется проекцией точки n. В точке 2, на линии FEG, количество жидкой фазы: . А количество твёрдой фазы: . При этом химический состав жидкой фазы определяется проекцией точки E, т.е. эвтектический состав. То есть в результате выпадения из жидкого расплава A, этот расплав объединяется, то есть обогащается компонентом B. При указанной температуре, то есть на линии FG, оставаясь жидкостью эвтектического состава, претерпевает эвтектическое превращение (1). После завершения эвтектического превращения, сплав 1 будет состоять из зёрен чистого компонента A и эвтектики.

Кривая охлаждения для сплава I будет иметь вид:

Сплавы типа I называют до эвтектическими. После затвердевания они состоят из зёрен эвтектики и чистого компонента A. Чем ближе этот состав к эвтектики, тем больше в его составе зёрен эвтектики. Чем дальше от эвтектики, тем меньше эвтектики, тем больше чистого компонента A.

Сплав III кристаллизуется аналогично сплаву I, стой лишь разницей, что выпадает чистый компонент не A, а B. В результате этого процесса жидкий расплав объединяет A и B, и в точке 4 состав этого расплава превращается в эвтектику. В точке 4 этот расплав превращается в эвтектику по средствам реакции (1). Таким образом после завершения эвтектического превращения сплав III будет состоять из зёрен чистого компонента B и эвтектики. Сплавы типа III называют за эвтектическими.

Как видно из анализа диаграмм, сплавы любого состава завершают свою кристаллизацию на линии FG посредством образования эвтектики из жидкого расплава. Эту горизонтальную линию FG принято называть линией эвтектического превращения. В этом частном случае совпадает с линией солидус.

2.4. Диаграммы состояния для сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твёрдом состоянии.

Растворимые сплавы, компоненты которых A и B в жидком состоянии неограниченно растворимы друг в друге, а в твёрдом состоянии растворяются друг в друге ограниченно, образуя ограниченные твёрдые растворы: A(B)=α, B(A)=β. Для таких сплавов возможны два типа диаграмм состояний: диаграмма с эвтектикой и перитектикой. Диаграмма с эвтектикой выглядит следующим образом.

На этой диаграмме линия CED – линия ликвидус. Линия CFGD – линия солидус. Горизонтальная линия FG – является линией эвтектического превращения. При температурах соответствующей этой линии, наблюдается эвтектическое превращение, соответствующая схема которого следующая: .

Жидкий расплав состава точки E при T=const превращается в механическую смесь кристаллов α – фазы состава точки F и кристаллов β – фазы состава точки G (α - ограниченный раствор A(B), β – ограниченный раствор B(A)). Такую механическую смесь называют эвтектикой. Линия FQ – показывает изменение с температурой, придельную растворимость компонента B в компоненте A. Как видно из диаграммы, с уменьшением температуры растворимость компонента B в α – фазе уменьшается. Линия GR показывает изменение с температурой придельной растворимости компонента A в β – фазе. Поскольку эта линия вертикальная это означает, что растворимость компонента A в β – фазе не меняется.

Рассмотрим процесс затвердевания трёх сплавов различного состава (I, II, III).

Сплав I выше точки 1 в жидком расплавленном состоянии. В точке 1 начинается процесс кристаллизации. При этом в жидком расплаве появляются зародыши кристаллов α - фазы. По мере уменьшения температуры от точки 1 до точки 2 доля кристаллов α – фазы нарастает, а доля жидкого расплава уменьшается. В точке 2 процесс кристаллизации завершается полным превращением жидкости в твёрдые кристаллы α – фазы. В интервале температур от 2 до 1, сплав состоит только из кристаллов α – фазы. В точке 3 растворимость компонента B в α – фазе достигает своего придельного значения, поэтому ниже точки 3 компонент B становится избыточным в α – фазе и начинает выделяться из неё, при этом образуются кристаллы β – фазы, которой называют вторичной, в отличии от первичной, образующейся из жидкого расплава. Её обозначают β_II. По сути эта та же β – фаза, но отличается своим происхождением. Ниже точки 3 сплав I будет состоять из зёрен α – фазы с вкраплениями кристаллов вторичной β – фазы.

Сплав II начинает кристаллизоваться в точке 4 с выпадением из жидкости твёрдой α - фазы. По мере уменьшения температуры от точки 1 до точки 5 количество кристаллов α – фазы нарастает, а доля жидкости уменьшается, при этом изменяется химический состав жидкой и твёрдой фазы, за счёт перераспределения компонентов. В точке 5 жидкий расплав будет иметь химический состав, соответствующий точке E, т.е. эвтектический. Эта жидкость, при указанной температуре превращается в эвтектику по схеме (2). В данном случае эвтектика представляет собой механическую смесь α и β – фаз. После завершения эвтектического превращения, сплав II будет состоять из состава точки F и эвтектики, представляющий собой механическую смесь кристаллов α – фазы состава точки F и β – фазы сплава точки G. Ниже точки 5 наблюдается уменьшение растворимости компонента B в α – фазе. Поэтому избыточный компонент B из α – фазы выделяется и образует кристаллы вторичного компонента B. Эти кристаллы наблюдаются только в зёрнах α – фазы. Вторичная же β – фазы образовавшаяся из кристаллов фазы эвтектики объединяется с β – фазой эвтектики и поэтому структурно не обособляется и не обнаруживается. Кривая охлаждения для сплава II выглядит следующим образом.

Сплав III кристаллизуется аналогично сплаву II, с той лишь разницей, что сначала из жидкости выпадают кристаллы β – фазы, а не α – фазы. Кристаллизация также завершается образованием эвтектики по схеме (2). Поэтому ниже линии эвтектического превращения этот сплав состоит из зёрен β – фазы и эвтектики. В данном случае выделение вторичной α – фазы не наблюдается, потому что раствор компонента A с уменьшением температуры не меняется.

Диаграмма с перитектикой выглядит следующим образом.

Линия CED – является линией ликвидус. Линия CBFD – линия солидус. Горизонтальная линия EF – линия перитектического превращения.

Перитектическим превращением называется такое превращение, когда при взаимодействии жидкого расплава с твёрдой фазой образуется другая твёрдая фаза. В данном случае, схема перитектического превращения может быть записана следующим образом: . То есть жидкий расплав состава точки E взаимодействует с фазой состава точки F и при этом образуется фаза состава точки E.

Перитектическая реакция, также как и эвтектическая, идёт при постоянной температуре. Для образования фазы из жидкости и фазы перитектической реакции, необходимо чтобы соблюдалось следующее соотношение фаз: отношение жидкой к фазе, должно быть таким же как отношение отрезка .

Рассмотрим процесс затвердевания двух сплавов различного состава (I и II). Сплав I начинает кристаллизоваться в точке 1 с выпадением из жидкого расплава кристаллов фазы. По мере уменьшения температуры от точки 1 до точки 2 доля этих кристаллов нарастает, а относительное количество жидкой фазы уменьшается. При этом изменяется химический состав обеих фаз, так что они обогащаются компонентом A (можно определить с помощью правила отрезков). В точке 2 сплав будет состоять из жидкого расплава состава точки E и фазы точки F. При этом соотношение жидкой и твёрдой фазы будет равно отношению отрезков . При указанной температуре, т.е. в точке 2, будет происходить перитектическое превращение по схеме (3). Однако в данном случае отношение , т.е. наблюдается избыток фазы по сравнению с жидкой фазой. В результате после перитектического превращения наряду с фазой, в сплаве наблюдается избыточная фаза. Ниже токи 2, и вплоть до комнатной температуры, сплав состоит из зёрен фазы и фазы.

Если состав сплава соответствует точке P или H, то тогда в перитектической реакции соотношение жидкой и твёрдой фазы точно равно . В результате после перитектического превращения наблюдается только фаза образованная из жидкой и фазы.

Сплав II начинает кристаллизоваться в точке 3 также с выпадением из жидкой фазы кристаллов фазы. По мере уменьшения температуры от точки 3 до точки 4, доля кристаллов нарастает, а жидкости уменьшается. Изменяется и химический состав. В точке 4 сплав будет состоять из жидкой фазы состава точки E и фазы на линии F. Причём отношение жидкой фазы к твёрдой фазе , таким образом, наблюдается избыток жидкой фазы необходимый для перитектической фазы .

В результате после перитектического превращения сплав будет состоять не только из кристаллов фазы и этой избыточной жидкости. В диапазоне температур от точки 4 до точки 5 наблюдается кристаллизация этой жидкости с образованием фазы. Ниже точки 5 сплав будет состоять только из кристаллов фазы. Кривая охлаждения для сплава II будет выглядеть следующим образом.

Сплавы расположенные левее точки E не испытывают перитектического превращения. Они кристаллизуются сразу в фазы. Сплавы располагающиеся правее точки G тоже не испытывают перитектического превращения.

Дата добавления: 2014-01-07