Диаграммы состояния двухкомпонентных сплавов

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния любого сплава в зависимости от температуры и концентрации компонентов.

Основой построения диаграмм состояния являются кривые охлаждения (рисунок 2.1). Строятся серии таких кривых, каждая из которых отвечает определенному соотношению компонентов сплава. Процентное содержание компонентов откладывается на оси абсцисс, а температура начала t₁ и окончания t₂ кристаллизации, отвечающие данному составу, на оси ординат. Соединяя все точки t₁ и t₂ можно получить искомую диаграмму состояния.

Рисунок 2.2 – Построение диаграммы состояния

 

Верхняя кривая (ликвидус) отделяет жидкую фазу от промежуточной, в которой начинают появляться кристаллы. Под нижней кривой (солидусом) на диаграмме находится твердая фаза.

Знание вида диаграммы состояния для любого сплава является важной информацией, по которой можно определить температуры начала и окончания кристаллизации для любого соотношения компонентов. Для примера определим данные температуры для соотношения компонентов А и В равном 25/75. Проведем вертикальную линию из точки, соответствующей данному соотношению на оси абсцисс, отметим точки ее пересечения с ликвидусом и солидусом и проведем горизонтали из них до пересечения с ось ординат. Получившиеся точки 2 и 1 будут точкам начала и окончания кристаллизации.

Помимо этого, по диаграмме состояния можно определить процентное содержание компонентов жидкой и твердой фазы при определенной температуре.

Представленная на рисунке 2.2 диаграмма состояния является диаграммой состояния сплава тип твердый физический раствор с неограниченной растворимостью. Диаграммы состояния сплавов видов механическая смесь и твердый физический раствор с ограниченной растворимостью представлены на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 –Диаграммы состояния сплавов механическая смесь (а) и твердый физический раствор с ограниченной растворимостью (б)

 

Диаграмма состояния сплава типа твердый физический раствор с неограниченной растворимостью имеет следующие особенности. Точка G является точкой предельной растворимости вещества В в А. Точка J является точкой предельной растворимости вещества А в В. От 0% вещества В до точки G и от точки J до 100% вещества В твердая фаза представляет собой обычный твердый физический раствор. Между точками G и K из расплава начинает выделяться излишек не растворившегося вещества, называемый эвтектикой. Таким образом, сплав, образующийся между данными точками, является механической смесью твердого раствора компонентов А и В и их эвтектики.

Рисунок 2.4 – Диаграмма состояния сплава химическое соединение

Пунктирные линии CF и EK могли бы показывать изменение растворимости компонентов друг в друге с изменением температуры. Однако, данный эффект себя никак не проявляет по причине того, что ниже отрезка CE все вещество является твердым. Изменение взаимной концентрации веществ в твердом состоянии невозможно по причине крайне низкой скорости диффузии металлов в твердом состоянии.

Для сплава типа химическое соединение диаграмма состояния представлена на рисунке 2.4. Данная диаграмма составлена как бы из нескольких диаграмм, каждая из которых соответствует определенному химическому соединению. Происходит это по причине того, что два элемента могут иметь не одно, а несколько химических соединений (например железо и кислород – Fe₂O­₃, Fe₃O₄ и т.д.). Каждому веществу соответствует свой минимум и максимум на диаграмме состояния.

Рисунок 2.5 – Связь между диаграммами состояния сплавов и их физическими свойствами (1 – диаграммы состояния, 2 – графики изменения твердости, 3 – графики изменения пластичности

2.4 Связь между диаграммами состояния сплавов и их физическими свойствами

 

 

Изменение физических свойств сплава твердый физический раствор с ограниченной растворимостью (рисунок 2.5, а) происходит нелинейно по причине постоянного изменения конфигурации кристаллической решетки с изменением взаимной концентрации компонентов. Резкий перегиб графика физических свойств для твердого раствора с ограниченной растворимостью (рисунок 2.5, в) характерен для начала и окончания присутствия эвтектики в сплаве. Для химического соединения (рисунок 2.5, г) излом графика происходит по причине большой разницы в строении веществ с разными химическими формулами.