Диаграмма состояния с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии

 

В этой системе (рис. 3.4) компонент К в компоненте М в твердом состоянии не растворяется, а М в К растворяется в ограниченных количествах. Обозначим твердый раствор компонента М в К буквой a. Такой твердый раствор с ограниченной растворимостью может образоваться как по типу замещения, так и по типу внедрения. При температуре t₁ в твердом растворе a может раствориться x₂ компонента М, а при комнатной температуре - x₁, т.е. с понижением температуры растворимость М в твердом растворе a уменьшается.

Линия abc - ликвидус диаграммы, следовательно, при более высоких температурах все сплавы данной системы будут в жидком состоянии.

Линия adbf – солидус, ниже нее сплавы находятся в твердом состоянии.

При охлаждении доэвтектических сплавов (с концентрацией компонента М до x₃) в области abda будет происходить кристаллизация твердого раствора a, а в заэвтектических сплавах (с концентрацией М больше x₃) в области bcfb - кристаллизация компонента М. При этом в сплавах с концентрацией М до x₂ кристаллизация заканчивается на линии аd формированием структуры, полностью состоящей из кристаллов твердого раствора a, которая сохраняется и при дальнейшем охлаждении. Точка «b» на диаграмме – эвтектическая.

Рис. 3.4.

 

В сплаве эвтектического состава (x₃) в точке «b» при постоянной температуре t₁ происходит кристаллизация эвтектики, которая представляет собой смесь мелких кристаллов твердого раствора a и компонента М. Если проанализировать процессы, идущие при кристаллизации в областях abda и bcfb, то можно увидеть, что состав жидкости здесь непрерывно меняется, и при температуре t₁ (на линии dbf) становится эвтектическим. Таким образом, на линии dbf из жидкости эвтектического состава кристаллизуется эвтектика, сохраняющаяся в сплавах при дальнейшем охлаждении.

Линия de на диаграмме (рис. 3.4) показывает предельную растворимость компонента М в твердом растворе a, понижающуюся с уменьшением температуры от x₂ до x₁. Поэтому при охлаждении доэвтектических сплавов ниже линии de из твердого раствора a будут выделяться избыточные атомы компонента М с образованием мелких кристаллов (частиц) этого компонента. Эти частицы при медленном охлаждении будут расти, укрупняться. Точно такой же процесс будет происходить и в сплавах состава x₂–x₃. Это значит, что в них при температурах ниже линии db тоже будут выделяться частицы компонента М.

Для систем с твердыми растворами с ограниченной растворимостью компонентов, зависимой от температуры (подобных системе на рис. 3.4), возможна упрочняющая термическая обработка.

Сущность ее заключается в следующем. Если взять сплав состава I–I со структурой, состоящей из кристаллов a и частиц М, нагреть его до температуры точки 1 (выше линии dе), выдержать при этой температуре, чтобы все частицы М растворились в твердом растворе a, и быстро охладить, то компонент М не успеет выделиться из твердого раствора. После охлаждения структура сплава будет представлять собой пересыщенный твердый раствор a¢. Этот процесс называется закалкой. При выдержке закаленного сплава при комнатной или несколько повышенной температуре из пересыщенного твердого раствора будет выделяться избыточный компонент М с образованием дисперсных (очень мелких) частиц: a¢ ® a + Мдисп. Такой процесс называется старением (при комнатной температуре – естественное старение, а при повышенных температурах – искусственное старение).

Образующиеся при старении мелкодисперсные частицы являются эффективными препятствиями для движения дислокаций и тем самым упрочняют сплав, повышают его прочностные характеристики. Таким образом, упрочняющая термическая обработка сплавов подобных систем заключается в закалке и старении.

В реальных сплавах могут встречаться варианты, когда оба компонента ограниченно растворяются друг в друге в твердом состоянии. В этом случае в системе будет 2 твердых раствора. Пример такой диаграммы показан на рис. 3.5.

Рис. 3.5.

 

Здесь есть твердый раствор М в N (a) и твердый раствор N в М (b). Линии dе и ab показывают, соответственно, предельную растворимость компонентов М и N в твердых растворах a и b в зависимости от температуры. Сплавы такой системы также могут подвергаться упрочняющей термической обработке (закалке и старению).

Если растворимость компонента в твердом растворе не зависит от температуры, то термическая обработка (закалка) становится невозможной, т.к. нельзя получить пересыщенный твердый раствор, необходимый для образования при последующем старении дисперсной упрочняющей фазы. Пример такой диаграммы показан на рис. 3.6.

Здесь концентрация компонента Р в твердом растворе a постоянна и равна x₁.

Рис. 3.6.

 

Диаграмма состояния с образованием химического соединения
между компонентами

Если в процессе кристаллизации компоненты образуют устойчивое химическое соединение, то оно играет роль самостоятельного компонента в системе. С учетом этого, любую диаграмму с химическим соединением можно анализировать, разложив ее условно на более простые диаграммы, аналогичные рассмотренным выше.

На рис. 3.7 показана диаграмма с образованием химического соединения АmDn между компонентами А и D.

Эту диаграмму условно можно разделить на 2 простых диаграммы: А–AmDn и AmDn–D (линии ликвидус abc и сdf, линии солидус kbm и ndef). Первая из них - типичная диаграмма с полной нерастворимостью компонентов в твердом состоянии, а вторая – диаграмма с ограниченной растворимостью компонентов. С учетом этого и указаны фазы в областях диаграммы на рис. 3.7.

В этой системе 2 эвтектики (точки «b» и «d»); одна из них - Э₁ - состоит из кристаллов А + АmDn, а другая - Э₂ - из кристаллов АmDn + a. Компонент А ограниченно растворяется в D с образованием твердого раствора a. Как видно из рис. 3.7, для сплавов в правой части системы возможна упрочняющая термическая обработка (закалка и старение).

 

 

Рис. 3.7.