Основные типы диаграмм состояния

Вид диаграммы состояния определяется характером взаимодействия между компонентами сплава в твёрдом и жидком состояниях. При этом предполагается, что в жидком состоянии между компонентами существует неограниченная растворимость и компоненты образуют однородный жидкий раствор. В твёрдом состоянии компоненты могут образовать сплавы в виде механических смесей из чистых компонентов, неограниченные твёрдые растворы, ограниченные твёрдые растворы, устойчивые химические соединения.

Чистые металлы представляют однокомпонентные системы, сплавы из двух элементов — двухкомпонентные системы и т. д. Диаграмм состояния строят для двухкомпонентных и трёхкомпонентных сплавов. Диаграммы состояния двухкомпонентных сплавов представляют собой график, по оси ординат которого откладывают температуру, а по оси абсцисс — состав сплава.

Диаграммы состояния позволяют правильно выбирать режимы термической обработки, температуру заливки литейных сплавов в формы при получении отливок, режимы нагрева сплавов при обработке давлением и т. п. Кроме того диаграммы состояния дают наглядное представление о зависимости фазового состава и структуры сплава от температуры и концентрации. Они позволяют предвидеть изменение свойств сплавов. Большинство сплавов, применяемых в технике, состоит более чем из двух элементов. Если количество третьего элемента незначительно, то систему можно практически рассматривать как двойную. Если концентрация третьего элемента значительна или когда влияние третьего элемента на структуру и свойства очень велико, строят диаграммы состояния тройных сплавов.

Диаграммы состояния, дающие наглядные представления о превращениях в двойных металлических сплавах при нагреве и охлаждении, строят опытным путем. Существует несколько видов диаграмм состояний двойных сплавов.

Диаграмма первого типа характеризует сплавы, состоящие из элементов, которые в твердом состоянии образуют механическую смесь (эвтектику) (рис. 1.35). В таких сплавах различная концентрация элементов вызывает изменение температуры начала кристаллизации (линия АСВ), а температура конца затвердевания одинакова для всех сплавов данной системы и не зависит от их состава (линия DCE).

Рис. 1.35. Диаграмма состояния, кривые охлаждения и схемы структур сплавов системы Pb – Sb при полном охлаждении до комнатной температуры

Остановка на кривой охлаждения свидетельствует о том, что процесс превращения происходит полностью.

Линию АСВ, соединяющую все точки начала кристаллизации сплавов, называют линией ликвидуса (по латыни означает жидкий). Все сплавы, лежащие выше этой линии, находятся в жидком состоянии. Линию конца затвердевания сплавов DCE называют линией солидуса (по латыни означает твердый). Все сплавы, лежащие ниже линии солидуса, находятся в твердом состоянии. В промежутке между этими линиями сплав состоит из двух фаз: жидкой и твердой. Температура плавления свинца 327 °С, а сурьмы 631 °С. Сплав из 13 % сурьмы и 87 % свинца является эвтектическим.

Температуры, при которых в сплаве происходят фазовые превращения, называются критическими. Критическая точка, соответствующая эвтектичес-кому превращению, равна 245 °С. Сплавы, содержащие менее 13 % Sb, называют доэвтектическими, а сплавы, содержащие больше 13 % Sb, заэвтектическими. Ниже линии DC застывшие сплавы состоят из кристаллов свинца и эвтектики, а ниже линии СЕ — из кристаллов сурьмы и эвтектики

В диаграмме второго типа (рис. 1.29) оба компонента в жидком и твердом сотояниях растворяются друг в друге в любой пропорции, т. е. образуют неограниченные твердые растворы и не образуют химических соединений. Примером может служить сплав, состоящий из меди и никеля. Температура плавления чистого никеля 1452 °С, а меди 1083 °С. В интервале между этими температурами выпадают кристаллы твердого раствора. Верхняя линия диаграммы АСВ — линия ликвидуса, а нижняя ADB — линия солидуса. Выше линии АСВ сплавы находятся в жидком состоянии. Между линиями АСВ и ADB сплавы состоят из кристаллов твердого раствора и жидкого сплава, а ниже линии ADB — из одного твердого раствора. Такую диаграмму имеют также сплавы: железо — кобальт, золото — свинец и др.

В диаграмме третьего типа (рис. 1.37) оба компонента ограниченно растворимы в твердом состоянии и не образуют химиче­ских соединений. Примером может служить сплав алюминий — кремний, железо — медь и др.

Компоненты А и В такой системы обладают в жидком состоя­нии неограниченной растворимостью друг в друге, а в твердом — ограниченной, меняющейся в зависимости от температуры.

Выше линии АСВ (ликвидуса) расположена область жидкого сплава. Линия ADCEB — линия солидуса, DCE — линия эвтектического превращения. В областях ниже линий AD и BE образуются кристаллы α и β.

В точке С образуется эвтектика, состоящая из смеси кристаллов твердых растворов α и β.

В диаграмме четвертого типа (рис. 1.38) оба компонента нерастворимы в твердом состоянии и образуют устойчивое химическое соединение А_пВ_т, которое образует с компонентами А и В простейшие диаграммы состояния. Левая часть А—А_пВ_т представляет случай отсутствия раство­римости компонентов в твердом состоянии, а правая часть А_пВ_т—В — случай полной взаимной растворимости. К таким сплавам относятся магний — висмут, магний — олово и др.

Установлена зависимость механических, физических и технологических свойств (прочность, пластичность, обрабатываемость резанием и давлением и т. д.) сплавов с их диаграммами состояния.

 

Контрольные вопросы