С неограниченной растворимостью в твердом состоянии

Диаграммы состояния (ДС) в графической форме показывают равновесный фазовый состав сплавов в зависимости от температуры и массовых долей компонентов. Их строят для равновесного состояния, которое соответствует минимальному значению свободной энергии системы. Такое состояние достигается при малых скоростях охлаждения или нагрева.

Диаграммы состояния играют важную роль в теории и практике металловедения. С их помощью можно исследовать фазовые и структурные превращения сплавов и назначать оптимальные режимы термической обработки. При построении диаграмм состояния используют кривые охлаждения сплавов, полученные при термическом анализе. По точкам перегиба и температурным остановкам, вызванным тепловым эффектом превращений, определяют температуры фазовых превращений.

Однокомпонентная диаграмма представляет собой температурную шкалу с нанесенными на нее точками фазовых превращений.

Двухкомпонентная диаграмма помимо температурной оси (оси ординат) имеет ось концентраций (ось абсцисс). Один конец оси абсцисс соответствует чистому компоненту, например А, другой – В. Все промежуточные точки оси соответствуют сплавам с различным соотношением компонентов.

Трехкомпонентные диаграммы имеют вид трехгранной равносторонней призмы, в основании которой лежит концентрационный треугольник, а ребра являются температурными осями. Вершины концентрационного треугольника соответствуют чистым компонентам, стороны – концентрационным осям двойных систем, точки внутри треугольника – тройным сплавам. При определении концентрации компонентов в тройном сплаве через заданную точку (фигуративную точку) треугольника проводят линии, параллельные его сторонам. Отрезок линии, заключенный между фигуративной точкой и стороной треугольника, отнесенный к длине стороны, равен массовой доле компонента, которому соответствует вершина, противолежащая стороне.

Диаграмма, подобная представленной на рис. 4.5, называется диаграммой с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии.

Рис. 4.5. Диаграмма состояния

Линия диаграммы А'сВ' называется линией ликвидуса. Выше этой линии все сплавы существуют в виде однофазного жидкого раствора (L). Линия A'fB' – линия солидуса. Ниже нее все сплавы находятся в твердом состоянии в данном случае в виде неограниченного твердого раствора α). Между линиями А'сВ' и A'fB' сплавы имеют двухфазный состав (L +α).

Химический состав фаз и их массовая доля в сплаве при температуре, соответствующей двухфазной области, определяют с помощью правила отрезков. Чтобы определить химический состав фаз, нужно через заданную точку, характеризующую состояние сплава (фигуративную точку), провести коноду (конодой называется горизонтальная линия, лежащая в двухфазной области диаграммы и опирающаяся своими концами на фазовые границы). Проекции концов коноды на ось концентраций покажут состав соответствующих фаз. Отношение длины отрезка, заключенного между фигуративной точкой и одним из концов коноды, к длине всей коноды равно массовой доле фазы, на границу с которой опирается второй конец коноды.

Проведем анализ диаграммы состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии, полученной по кривым охлаждения сплавов системы (рис. 4.6, а). Число компонентов: К = 2 (компоненты А и В). Число фаз: F = 2 (жидкая фаза L, кристаллы твердого раствора α). Основные линии диаграммы: acb – линия ликвидуса, выше этой линии сплавы находятся в жидком состоянии; adb – линия солидуса, ниже этой линии сплавы находятся в твердом состоянии.

Характерные сплавы системы. Чистые компоненты А и В

кристаллизуются при постоянной температуре, охлаждение компонента В происходит по кривой (рис. 4.6, б). Остальные сплавы кристаллизуются аналогично сплаву I (рис. 4.6, б).

а б

Рис. 4.6. Диаграмма состояния сплавов с неограниченной

растворимостью компонентов в твердом состоянии (а)

и кривые охлаждения типичных сплавов (б)

Процесс кристаллизации сплава I: до точки 1 охлаждается сплав в жидком состоянии. При температуре, соответствующей точке 1, начинают образовываться центры кристаллизации твердого раствора кр.тв.р.α. На кривой охлаждения отмечается перегиб (критическая точка), связанный с уменьшением скорости охлаждения вследствие выделения скрытой теплоты кристаллизации. На участке 1–2 идет процесс кристаллизации, протекающий при понижающейся температуре, так как согласно правилу фаз в двухкомпонентной системе при наличии двух фаз (жидкой и кристаллов твердого раствора α) число степеней свободы будет равно единице (С = 2 – 2+1=1). При достижении температуры, соответствующей точке 2, сплав затвердевает, при дальнейшем понижении температуры охлаждается сплав в твердом состоянии, состоящий из однородных кристаллов твердого раствора α (см.рис. 4.3).

Количественный структурно-фазовый анализ сплава. Пользуясь диаграммой состояния и используя правило отрезков, можно для любого сплава при любой температуре определить не только число фаз, но и их состав, и соотношение их значений. Для проведения количественного структурно-фазового анализа через заданную точку проводят горизонталь (коноду) до пересечения с ближайшими линиями диаграммы (ликвидус, солидус или оси компонентов).

а) Определение состава фаз в точке m. Для его определения через точку m проводят горизонталь до пересечения с ближайшими линиями диаграммы: ликвидусом и солидусом.

Состав жидкой фазы определяется проекцией точки пересечения горизонтали с линией ликвидуса p на ось концентрации. Состав твердой фазы определяется проекцией точки пересечения горизонтали с линией солидуса q (или осью компонента) на ось концентрации. Состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидуса, состав твердой фазы – по линии солидуса. С понижением температуры состав фаз изменяется в сторону уменьшения массовой доли компонента В.

б) Определение количественного соотношения жидкой и твердой фаз при заданной температуре (в точке m):

Массовая доля фаз обратно пропорциональна длинам проведенной коноды. Рассмотрим проведенную через точку m коноду и ее отрезки. Масса всего сплава (Q _сп ) определяется отрезком pq. Отрезок, прилегающий к линии ликвидуса pm, определяет массу твердой фазы.