Диаграммы состояния сплавов

В процессе охлаждения (нагревания), при изменении концентрации какого-либо компонента в сплавах происходят фазовые и структурные изменения. Эти изменения можно проследить с помощью диаграмм состояния, представляющих графическое изображение состояния сплавов. Фазовые диаграммы строятся для равновесного состояния с минимумом свободной энергии системы, которое может быть достигнуто при достаточно медленном охлаждении (или нагревании), что на практике трудно реализовать. При быстром охлаждении (нагреве) система может остановиться на промежуточном (метастабильном) уровне. Возникающая структура не устойчива и при достижении соответствующих условий может вернуться в равновесное состояние. Диаграммы состояния с некоторой погрешностью позволяют прогнозировать фазовые и структурные изменения в сплавах в метастабильном состоянии. Закономерности сосуществования равновесных фаз определяются правилом фаз (законом Гиббса):

С = К – Ф + 2.

Где: К – число компонентов; Ф – число фаз; С – число степеней свободы (вариантность системы), т.е. число внутренних и внешних факторов (температура, давление, концентрация), которые можно изменять без изменения количества фаз в системе. Если C = 1, то возможно изменение одного из факторов в некоторых пределах, без изменения числа фаз. Если C = 0, то внешние факторы нельзя изменить без изменения числа фаз в системе. Если все превращения происходят при постоянном давлении, то число переменных уменьшится (1 – учитывает возможность изменения температуры):

С = К – Ф+ 1.

Изменяя соотношение компонентов сплава можно получить много вариантов, каждый из которых имеет свою структуру и свойства, температуру плавления и затвердения. Информация о состоянии и структуре сплавов может быть представлена в виде диаграммы состояния – графического изображения состояния сплавов в зависимости от температуры и концентрации. Рассмотрим четыре основных типа диаграмм состояния на примере двойных сплавов.

Диаграмма состояния с полной нерастворимостью компонентов в твердом состоянии (I рода). Сначала получают термические кривые. Полученные точки переносят на диаграмму, соединив точки начала и конца кристаллизации сплавов, получают диаграмму состояния (рис. 2.3). Строение сплавов механической смеси компонентов представлено на схеме рис. 2.4. Линия на диаграмме, выше которой сплавы находятся в жидком состоянии, называется линией ликвидус диаграммы. Ниже линии солидус сплавы находятся в твердом состоянии. Анализ диаграммы состояния сплавов.

Количество компонентов: К = 2 (химические элементы А, Б).

Число фаз: Ф = 3 (кристаллы компонентов А и Б, жидкая фаза Ж).

Линии и точки диаграммы. Линия ликвидус АДБ состоит из двух ветвей, сходящихся в точке Д. Линия солидус СДЕ параллельна оси концентраций.

Типовые сплавы системы.

а) Чистые компоненты, кристаллизуются при постоянной температуре (точки А и Б на осях диаграммы). Структура – однородные зерна.

б) Эвтектический сплав (Э) соответствует концентрации компонентов А и Б в точке Д. Механическая смесь двух (и более) кристаллов, одновременно кристаллизующихся из жидкости при постоянной, самой низкой температуре, называется эвтектикой. Эвтектическая реакция имеет вид: Ж ® А + Б.

в) Кристаллизация доэвтектических сплавов начинается на ветви линии ликвидуса АД с образования кристаллов избыточного компонента А. Микроструктура сплавов в области диаграммы АДС – жидкая и твердая фазы: кристаллы А + Ж. По мере роста кристаллов жидкая фаза обедняется компонентом А. При охлаждении до температуры, соответствующей линии диаграммы СД, состав жидкой фазы изменяется по ветви линии ликвидуса АД до эвтектического. На линии СД происходит одновременная кристаллизация компонентов А и Б: доэвтектические сплавы содержат эвтектику: кристаллы А + Э.

г) Процесс кристаллизации заэвтектических сплавов происходит подобно процессу кристаллизации доэвтектических.

Линию, ниже которой в микроструктуре сплавов образуется эвтектика, называют линией эвтектического превращения.

Для сплавов механических смесей компонентов характерна ликвация (химическая неоднородность). При медленном процессе кристаллизации в нижней части слитка преобладают кристаллы с большим удельным весом. Чтобы предотвратить ликвацию применяют ускоренное охлаждение слитка, механическое перемешивание, вибрацию и т.д. Примеры сплавов с полной нерастворимостью компонентов – сплавы систем Al–Si, Pb–Sb.

Диаграмма состояния с полной растворимостью компонентов в твердом состоянии (II рода). Анализ диаграммы состояния сплавов (рис. 2.5).

Количество компонентов: К = 2 (химические элементы А, Б).

Число фаз: Ф = 2 (a – кристаллы твердого раствора А и Б, жидкая фаза Ж).