10.6.1. Диаграммы состояния веществ, образующих механическую смесь

Данный тип диаграммы рассмотрим на примере системы олово – цинк (рис. 11.6.2).

Вещества, плохо растворимые друг в друге в твердом состоянии, при кристаллизации их расплавов часто образуют смесь мелких кристаллов компонентов, называемую эвтектикой (точка Е, рис. 11.6.2). Эвтектика (по-гречески «легкоплавкий») характеризуется температурой плавления более низкой, чем температуры плавления ее компонентов. Например, температуры плавления Sn и Zn соответственно 232 и 419 ºС, тогда как их сплав, содержащий 92 % Sn и 8 % Zn, плавится при 200 ºС.

При медленном охлаждении расплава цинка и олова вначале кристаллизуется либо цинк, либо олово. Например, при охлаждении расплава состава 60 % Zn и 40 % Sn (точка а) в твердую фазу начинает выделяться цинк. Это происходит по достижении температуры кристаллизации цинка из расплава, отвечающей взятому составу (точка б). В точке с находится система, состоящая из кристаллов цинка и расплава, содержащего оба металла. Состав жидкой фазы в данной точке определяют, проведя линию до пересечения с кривой диаграммы и опустив абсциссу до линии состава сплава. Точка пересечения и будет соответствовать составу жидкой фазы. В точке с состав жидкой фазы 30 % Zn и 70 % Sn. В точке d сплав находится полностью в твердом состоянии и далее происходит охлаждение твердого сплава.

Таким образом, фазовый состав системы Zn – Sn следующий: I – жидкий расплав Zn – Sn, состав которого соответствует исходному; II – жидкий расплав цинка и олова, обогащенный кристаллами цинка; III – жидкий расплав цинка и олова, обогащенный кристаллами олова. IV – твердая фаза.

Если охлаждению подвергнуть расплав состава 92 % Sn и 8 % Zn, то состав твердой фазы представляет собой чистую эвтектику. При других соотношениях компонентов расплава образуется смесь эвтектики и ранее выпавших более крупных кристаллов цинка или олова.

10.6.2. Диаграммы состояния веществ с неограниченной растворимостью

Сплавы, состоящие из компонентов, неограниченно растворимых друг в друге, называют твердыми растворами.

Кристаллическую решетку твердого раствора образуют частицы двух или более веществ, размещенные относительно друг друга неупорядоченно. Иными словами, твердый раствор представляет собой смешанный кристалл. В зависимости от способа размещения частиц различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения (рис. 10.6.3).

Твердые растворы замещения образуются в том случае, если кристаллические решетки компонентов однотипны и размеры частиц компонентов близки (рис. 10.6.3, а). Необходимым условием образования твердых растворов является также и известная близость химических свойств веществ. Несоблюдение одного из этих условий приводит к тому, что твердые растворы между компонентами образуются лишь в ограниченных пределах концентраций или же не образуются вообще (рис. 10.6.3, б).

Близкие по химическим свойствам и размерам атомов никель, кобальт, железо и марганец образуют друг с другом непрерывный ряд твердых растворов. В ряду Сг –V – Тi по мере увеличения раз­личий в химических свойствах растворимость металлов в никеле падает. Кальций и калий, которые резко отличаются от никеля по свойствам и атомным размерам, твердых растворов с ним практически не образуют.

Диаграмму состояния таких веществ рассмотрим на примере системы золото – платина (рис. 11.6.4).Характерная особенность подобных систем заключается в том, что температураплавления твердого раствора данного состава не совпадает с температурой затвердевания жидкого раствора (расплава) того же состава. Поэтому на диаграмме плавкости наблюдаются две кри­вые: верхняя отражает температуры затвердевания расплава, нижняя – температуры плавления твердого раствора.

На данной диаграмме можно выделить три области: I – жидкий расплав Au – Pt, состав которого соответствует исходному; II – жидкий расплав золота и платины, обогащенный кристаллами золота и платины; III – твердая фаза.

Состав фаз в области II можно определить, проведя из необходимой точки (точка а) линии до пересечения с линиями жидкого и твердого состояния сплава. Затем из этих точек необходимо провести абсциссы до пересечения с линией состава. В данном случае точка б отражает состав жидкой фазы (Au:Pt = 45 %:55 %), а точка с – состав твердой фазы (Au:Pt = 16 %:84 %).