Диаграмма состояния с неограниченным твердым раствором

 

Этот тип диаграмм состояния относится к системам, компоненты которых обладают неограниченной взаимной растворимостью друг в друге как в жидком, так и в твердом состоянии, образуя однородные твердые растворы. По этому типу диаграмм состояния затвердевают сплавы Сu–Au, Cо–Ni, Cu–Ag, Bi–Sb, Fе–V. Твердые растворы бывают двух типов: замещения, когда атомы растворенного вещества находятся в узлах решётки растворителя, замещая его атомы, и внедрения, когда атомы растворенного вещества находятся в свободных участках решетки растворителя вне ее узлов (в междоузлии). Если твердые растворы образуются в сплавах любой концентрации, то такие растворы называются неограниченными твердыми растворами. Они образуются тогда, когда компоненты системы имеют одинаковый тип кристаллических решеток, различие в атомных диаметрах не превышают 8–17% и находятся близко друг к другу в таблице Менделеева. В остальных случаях образуются ограниченные твердые растворы или химические соединения.

В качестве примера второго типа диаграмм состояния на рис. 3.5 приведена система Сu–Ni. Верхняя часть диаграммы ограничена линией ликвидуса (линия 1РВK′2), а нижняя – линией солидуса (линия 1K′′′2).

Таблица 3.2

Критические температуры сплавов Сu ̶ Ni

№ сплава	Химический состав сплава, %	Верхняя критическая t,°С	Нижняя критическая t,°С	Микроструктура сплава
Ni	Cu

 

 

Pис. 3.5. Диаграмма состояния системы Сu–Ni
и микроструктуры медно-никелевых сплавов

 

В отличие от системы Рb–Sb затвердевание сплавов Сu–Ni начинается с выпадения из жидкости кристаллов α-твердого раствора. Сплав с 30% Ni при 1400 °С (точка а) будет жидким. В процессе охлаждения из жидкости выделяются кристаллы α-твердого раствора. Состав твердого раствора изменяется. Для каждой температуры его состав можно определить, используя правило отрезков. Для этого при заданной температуре через точку K проводим прямую линию (конноду), пересекающую линии ликвидуса и со­лидуса, проекции этих линий на ось концентраций показывают, что в точке n кристаллы α-твердого раствора содержат 73% Ni и 27% Сu. Состав крис­таллов твердого раствора, выпадающих в ходе затвердевания, изменяется вдоль линии солидуса от точки n до точки K′′′. Последним затвердевает кристаллик состава, соответствующего точке K′′′ (30% Ni). Состав жидкой фазы в процессе охлаждения также изменяется. Так, если в начале кристаллизации он соответствует 30% Ni и 70% Сu, то последняя капля жидкости содержит лишь 7% Ni.

Таким образом, при затвердевании сплава этой системы наблюдается непрерывное изменение состава жидкой фазы и образующихся кристаллов твердого раствора. Первые твердые частицы, которые формируются из центров кристаллизации, являются главными осями дендритов (оси первого порядка). В затвердевшем сплаве они сильно обогащены тугоплавким компонентом – Ni; по мере понижения температуры и формирования осей последующего порядка в твердой фазе увеличивается содержание более легкоплавкой составляющей Сu. Остающаяся жидкость обогащается медью, т. е. более легкоплавким компонентом. В процессе кристаллизации структура сплава получается неоднородной, так как диффузионные процессы не успевают выравнивать состав образующегося твердого раствора.

На рис. 3.5 а приведены микроструктуры чистой меди, на рис. 3.5 г – чистого никеля. Микроструктура сплава, содержащая 30% никеля (мельхиор), показана на рис. 3.5 б. Светлые участки представляют твердый раствор, обогащенный никелем, темные – твердый раствор, обогащенный медью. Как видно, внутри зерен элементы расположены неравномерно; такое явление, т. е. химическая неоднородность в пределах одного зерна-дендрита, называется дендритной ликвацией. Нагрев сплава до температуры, лежащей на 50–100 °С ниже линии солидуса, выдержка при этой температуре и последующее медленное охлаждение выравнивают состав сплава (рис. 3.5 в). Режим такой обработки называют диффузионным отжигом.

 

Диаграмма состояния с ограниченными твёрдыми растворами.

Этот тип диаграмм состояния относится к системам, компоненты которых обладают ограниченной взаимной растворимостью в твёрдом состоянии. В качестве примера данного типа диаграмм состояния на рис. 3.6. приведена система свинец-олово (Pb-Sn), твёрдые растворы на основе которой используются в качестве легкоплавких припоев.

Греческими буквами на диаграмме обозначены твердые растворы Sn в Pb и Pb в Sn.

 

 

 

Рис. 3.6. Диаграмма состояния свинец - олово.

 

 

Порядок выполнения работы

 

1. Определить по экспериментальным кривым охлаждения сплавов системы Pb-Sb и Cu-Ni значения критических температур и записать их в табл. 3.1, 3.2. Построить диаграммы состояния данных сплавов.

2. Рассмотреть значение критических температур, точек, линий и областей диаграммы Pb-Sb и Cu-Ni.

3. Определить количество и химический состав фаз по температурам, заданным преподавателем.

4. Изучить состав припоев – твердых растворов по диаграмме состояния свинец – олово. Выделить на диаграмме (рис. 3.6) структурные области I, II, III, IV, V, VI, VII, VIII, IX и дать описание структур. Выделить на оси концентрации области сплавов – твердых растворов и области сплавов с эвтектикой (до- и заэвтектические).

Контрольные вопросы

1. Что такое граница ликвидус?

2. Что такое граница солидус?

3. Что называется эвтектикой?

4. Что называется эвтектическим сплавов?

5. Что такое доэвтектический сплав?

6. Что такое заэвтектический сплав?

7. Какие фазы находятся в области АDС?

8. Какие фазы находятся в области CBE?

9. Какие фазы находятся левее и правее точки С при комнатных температурах?

 

 

Литература для самостоятельной работы: