Диаграммы состояния сплавов
Диаграмма состояния двойного сплава I типа. К сплавам I типа условно относят двухкомпонентные системы, у которых в жидком состоянии компоненты неограниченно взаимно растворимы, а в твердом состоянии — нерастворимы, не образуют химических соединений и не имеют аллотропических модификаций, т. е. дают механическую смесь. Одним из представителей сплавов этого типа является сплав свинца с сурьмой.
Для построения диаграммы состояния взяты пять сплавов с содержанием свинца 100, 95, 87, 60 и 0%, а сурьмы соответственно — 0, 5, 13, 40 и 100% и для каждого из них по кривым охлаждения (рис. 7) определены критические температуры.
Кривая 1 для чистого свинца имеет одну критическую точку при температуре 327°С. Сплав, состоящий из 95% свинца и 5% сурьмы (кривая 2), имеет две критические температуры — при 296°С и 245°С. Для сплава, полученного из 87% свинца и 13% сурьмы (кривая 3), характерно наличие одной критической температуры 245°С. У сплава, содержащего 60% свинца и 40% сурьмы (кривая 4), критические точки соответствуют температурам 395°С и 245°С. Чистая сурьма (кривая 5) кристаллизуется при температуре 631°С.
На диаграмме состояния сплавов (рис. 7) кривая АСВ является линией ликвидуса, а кривая DCE — линией солидуса. Точка С, находящаяся одновременно на линиях ликвидуса и солидуса, называется эвтектической (легкоплавящейся) точкой. Сплав, соответствующий эвтектической концентрации компонентов (в данном случае 87% свинца и 13% сурьмы), имеет низкую температуру плавления и состоит из однородной механической смеси мелких зерен обоих компонентов. Сплав ACD имеет повышенную против эвтектики концентрацию свинца, поэтому в твердом состоянии будут находиться кристаллы последнего. По мере кристаллизации свинца его концентрация в расплаве снижается до тех пор, пока она не достигнет 87%. После этого остатки расплава, имеющего эвтектическую концентрацию компонентов, образуют эвтектику. Структура этих сплавов, называемых доэвтектическими, будет, следовательно, после затвердевания выглядеть так: крупные кристаллы свинца окружены эвтектической смесью свинца и сурьмы. Аналогично в области ВСЕ происходит образование кристаллов сурьмы, а твердые сплавы, называемые заэвтектическими, будут состоять из крупных зерен сурьмы в окружении эвтектической смеси свинца и сурьмы.
Диаграмма состояния двойного сплава II типа. К сплавам II типа относят сплавы, компоненты которых без ограничения растворяются один в другом не только в жидком, но и в твердом состоянии. Одним из примеров такой системы является сплав сурьмы с висмутом. Диаграмму состояния для этого сплава строят по той же методике, что и для сплава свинца с сурьмой.
На кривых охлаждения сплавов сурьмы с висмутом всех концентраций наблюдаются по две критические точки, а на кривых охлаждения чистых компонентов — по одной точке. Отложив критические температуры по ординатам соответствующих концентраций на диаграмме и соединив линиями все верхние и затем все нижние точки, получают диаграмму состояния (рис. 8), состоящую из двух кривых, которые пересекаются в точках, соответствующих температурам кристаллизации простых металлов. Верхняя является линией ликвидуса, а нижняя — линией солидуса. В температурной области, лежащей между ними, сплав состоит из смеси жидкого и твердого растворов компонентов один в другом. После затвердевания под микроскопом наблюдают поле, состоящее из однородных зерен твердого раствора.
Диаграмма состояния двойного сплава III типа (рис. 9). К этому типу сплавов относят такие системы, в которых оба компонента сплавов неограниченно растворяются один в другом в жидком состоянии, а в твердом имеют ограниченную взаимную растворимость. Одним из примеров такой системы является сплав меди с серебром. Серебро в твердом состоянии растворяет не более 6% меди, а в меди может раствориться не более 5% серебра.
На диаграмме (рис. 9) при температурах, лежащих выше линии ликвидуса ACD, сплав находится в жидком состоянии. При концентрациях меди менее 27% выкристаллизовываются зерна твердого раствора меди в серебре (a-раствор), а при концентрациях больших, чем 27%, — зерна твердого раствора серебра в меди (b-раствор). В температурной области АСЕ сплав находится в двухфазном состоянии: твердый a-раствор и расплав. Аналогично в температурной области DCF наблюдается двухфазное состояние сплава в виде твердого b-раствора и расплава.
В эвтектической точке С происходит одновременная кристаллизация мелкодисперсной механической смеси, состоящей из твердых растворов a и b. В температурных областях A1AEK и B1DFG находятся твердые однофазные системы, состоящие в первом случае из a-раствора, а во втором — из b-раствора. В температурной области KEFG находятся твердые двухфазные системы, причем доэвтектические сплавы состоят из зерен a-раствора, окруженных эвтектической смесью, а заэвтектические — из зерен b-раствора в окружении эвтектической смеси.
Схематические рисунки под диаграммой (рис. 9) представляют собой микроструктуры a-раствора, доэвтектического, эвтектического, заэвтектического сплавов и b-раствора.
Диаграмма состояния двойного сплава IV типа. К сплавам IV типа относят двухкомпопентные системы, образующие при затвердевании стойкие химические соединения. В таких случаях образовавшиеся химические соединения ведут себя в сплаве как самостоятельные компоненты и образуют обычно с исходными компонентами механическую смесь.
Одним из примеров системы IV типа может служить сплав магния с цинком, который образует химическое соединение MgZn2, состоящее из 15% магния и 85% цинка. Диаграмма состояния этого сплава (рис. 10) состоит как бы из двух диаграмм I типа Mg — MgZn2 и MgZn2 — Zn с двумя эвтектиками, состоящими: первая — из смеси зерен магния и химического соединения MgZn2 (эвтектическая точка C1) и вторая — из смеси зерен цинка и химического соединения MgZn2 (эвтектическая точка С2).
Большинство металлических сплавов, используемых для изготовления металлохозяйственных товаров, имеет более сложные диаграммы состояния, чем рассмотренные выше. Примером могут служить сплавы железа с углеродом (чугун, сталь), из которых изготовляют основную массу бытовых товаров.