2.2. Диаграммы состояния (фазового равновесия сплавов)

Диаграммы состояния представляют собой график в координатах состав сплава - температура, на котором отражены продукты, образующиеся в результате взаимодействия компонентов сплава друг с другом в условиях термоди-намического равновесия при различных температурах. Этими продуктами являются вещества, имеющие в зависимости от температуры и состава определенное агрегатное состояние, специфический характер строения и вполне определенные свойства. Их принято называть фазами. Причем фазой считается определенная часть системы, образованной компонентами сплава, которая во всех своих точках имеет одинаковые состав, строение и свойства.

Жидкая фаза представляет собой раствор расплавлен-ных компонентов.

Твердые фазы являются зернами, имеющими опреде-ленную форму, размер, состав, специфику строения и свойства. Твердые фазы можно наблюдать в микроскоп. Это могут быть твердые растворы, химические соединения, а также зерна чистых компонентов, не образующих с другими компонентами ни твердых растворов, ни химических соединений.

Диаграмма состояния разделена линиями на области. От-дельные области могут состоять только из одной фазы, а неко-торые - из двух, имеющих разные составы, строение и свойства.

В диаграммах состояния содержится информация, необ-ходимая для создания и обработки сплавов различного назна-чения. Ниже рассматриваются четыре основных типа (рода) диаграмм состояния.

Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии

Исходные данные: оба компонента неограниченно растворимы в твердом и жидком состоянии и не образуют химических соединений.

Компоненты: химические элементы А, В

Фазы : жидкость Ж, кристаллы твердого раствора α. Примером сплавов с такими диаграммами состояния являются сплавы системы Сu - Ni.

На диаграмме (рис. 1.18) присутствуют три области: об-ласть выше линии Аа'В - жидкость; область между линиями Аа'В и Аb'В - жидкость и твердый раствор. Ниже линии Аb'В - область твёрдого раствора. Линия Аа'В является линией ликвидус, а линия Аb'В - линией солидус.

Для определения относительного количества каждой фа-зы и состава фаз на диаграммах состояния любого типа, поль-зуются правилом отрезков (правилом рычага), основные поло-жения которого формулируются следующим образом. Чтобы оп-ределить концентрации компонентов в двухфазной области, че-рез интересующую нас точку, характеризующую состояние сплава (состав сплава и его температуру), проводится гори-зонтальная линия до пересечения с линиями, ограничивающими двухфазную область. Проекции точек пересечения на ось кон-центраций покажут состав жидкой и твердой фаз. Чтобы опре-делить количественное соотношение жидкой и твердой фаз, не-обходимо составить обратно пропорциональную зависимость между их количеством и отрезками горизонтальной линии, образованными между точкой, характеризующей состояние сплава, и точками, определяющими состав жидкой и твердой фаз.

Рис. 1.18. Диаграмма состояния, кривые охлаждения и схемы ти-повых структур сплавов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии

Рассмотрим на примере двух типов диаграмм (рис. 1.19), как с помощью правила отрезков можно определить количество и состав фаз, например, для состояния, соответствующего точке к.

Для определения соотношения фаз и их состава через точку к проводим горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими двухфазную область на диаграмме (точки l и s, рис. 1.19, а, б). Проекции точек пересечения на ось концентраций показывают состав жидкой фазы (точка l' – проек-ция точки l, лежащей на линии ликвидус) и твердой фазы (точка s' - проекция точки s, соответствующей на рис. 1.19, а концен-трации 100 % Sb и лежащей на линии солидус на рис. 1.19, б).

В соответствии c правилом рычага для определения весового или объемного количества твердой фазы необходимо вычислить отношение длины отрезка, примыкающего к составу жидкой фазы, к длине всего отрезка; для определения количества жидкой фазы - отношение длины отрезка, примыкающего к составу твердой фазы, к длине всего отрезка. Следовательно, количество твердой фазы α (в процентах) в точке к определится отношением отрезка kl к длине отрезка ls:

а масса или объем жидкой фазы:

Правило отрезков может использоваться не только для изучения процесса кристаллизации сплавов, но и для рассмотрения процессов, происходящих в твердом состоянии. Оно применимо ко всем двухфазным сплавам независимо от их агрегатного состояния.

а б

Рис. 1.19. Применение правила отрезков для сплавов, обра-зующих механические смеси ( а ) и твердые растворы ( б )

Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии

Исходные данные: оба компонента неограниченно растворимы в жидком состоянии, ограниченно растворимы в твердом состоянии и не образуют химических соединений.

Компоненты: химические элементы А, В.

Фазы: жидкость Ж, твердые растворы α (раствор компонента А в В) и β (раствор компонента В в А).

Этот тип диаграмм очень важен в практическом отношении, так как часто представлен в составе сложных диаграмм широко распространенных промышленных сплавов, например сплавов систем Fe – C, Al – Cu и др. В рассматриваемой системе ограниченная растворимость компонентов в твердом состоянии может не меняться с изменением температуры, а может и меняться. Оба рассматриваемых случая представлены на рис. 1.20 (со-ответственно линии ЕN и DF). В итоге имеем диаграмму состояния с двусторонней ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии.

На этой диаграмме линия GСН - линия ликвидус, выше которой все сплавы имеют однородный жидкий раствор. Линия GEDН - линия солидус, ниже которой в сплавах отсутствует жидкая фаза.

Точки Е и D являются границами линии ЕD, в пределах которой протекает эвтектическое превращение, а точка С - эвтектической точкой. Следовательно, во всех сплавах, расположенных в пределах границ эвтектической линии, будет проходить эвтектическое превращение. Эвтектика состоит из механической смеси твердых растворов α и β. В данном случае эти твердые растворы как бы являются компонентами сплавов для той части диаграммы, которая ограничена длиной эвтектической линии. Соответственно, эвтектика в этом случае будет иметь вид: Э( α + β), а эвтектическая реакция может быть записана так: Ж →α _Е + β _D .Сплав с концентрацией компонентов А и В, соответствующей проекции точки С, т.е. сплав состава С, называется эвтектическим.

Рис. 1.20. Диаграмма состояния, кривые охлаждения и схемы образования структур сплавов.

Все сплавы, расположенные между точками С и Е, называются доэвтектическими. Они после окончательного охлаждения будут иметь структуру α + Э (α + β).

Все сплавы, расположенные между точками С и D, называются заэвтектическими. Все заэвтектические сплавы ниже температуры эвтектического превращения (например сплав 111 ниже точки 2 ) будут иметь следующую структуру: β + Э(α +β) + α₁₁ . Эта структура содержит три структурных составляющих: β, Э(α + β) и α₁₁ , но при этом структура является двухфазной: α - фаза и β - фаза.

Диаграмма с периктетическим превращением

Исходные данные: оба компонента неограниченно растворимы в жидком состоянии, ограниченно – в твердом состоянии, не образуют химических соединений и образуют механические смеси в результате перитектической реакции.

Компоненты: химические элементы А и В.

Фазы: жидкость Ж, твердые растворы α и β.

Примером диаграмм этого типа является диаграмма состояния сплавов системы Ag – Pt.

Перитектическим называется такое превращение, при котором жидкая фаза взаимодействует при постоянной температуре с ранее выпавшими кристаллами твердой фазы и при этом образуется новый вид кристаллов.

Диаграмма с перитектическим превращением приведена на рис. 1.21. На этой диаграмме линия АВС является линией лик-видус, линия АРDC – линией солидус, линия BD - линией пери-тектического превращения, а точка P - перитектической точкой.

Для всех сплавов, расположенных в пределах границ перитектической линии (точки B и D), будет проходить перитектическая реакция в виде: Ж + β → α . У сплавов, расположенных между точками P и D, в интервале между точками 1 и 2 из жидкости первоначально выделяются крис-таллы β – раствора, т.е. эти сплавы имеют двухфазную структуру Ж + β. При дальнейшем охлаждении этих сплавов ниже линии перитектического превращения (например, сплава 1 ниже точки 2) в их структуре помимо продуктов перитек-тической реакции (т. е. кристаллов α – твердого раствора) имеются также ранее выделившиеся из раствора кристаллы β – твердого раствора. Все сплавы, расположенные между точками P и D, после окончательного охлаждения будут иметь двухфазную структуру α – и β – твердых растворов (α + β).

Рис. 1.21. Диаграмма состояния и кривые охлаждения сплавов с перитектикой

Диаграмма состояния сплавов, образующих химические соединения

Исходные данные: оба компонента неограниченно растворимы в жидком состоянии, нерастворимы в твердом состоянии, но образуют химические соединения.

Компоненты : химические элементы А и В.

Фазы: жидкость Ж, кристаллы компонентов А, В или химического соединения А _nВm.

Химическое соединение может быть устойчивым, т. е. до расплавления сплава не разлагаться при нагреве. Соответственно неустойчивое химическое соединение при нагреве разлагается.

Рассмотрим диаграмму состояния устойчивым химическим соединением. Такая диаграмма изображена на рис. 1.22. Примером диаграмм этого типа является диаграмма состояния сплавов системы Мg – Са..

Химическое соединение (например, А_nВm) характе-ризуется определенным соотношением компонентов (например, п % компонента А и т % компонента В). На оси концентрации компонентов (ось абсцисс) химическое соединение обозначает точку, из которой выходит вертикальная линия, фактически разбивающая диаграмму на две простые диаграммы, в которых химическое соединение выступает уже в качестве самостоятельного компонента и, соответственно, образует эвтектики с компонентом А по реакции Ж → А + А_nВ_m (1 простая диаграмма) и c компонентом В по реакции Ж → В + А_nВ_m (11 простая диаграмма).

Рис. 1.22. Диаграмма состояния с устойчивым химическим сое-динением

Кристаллизация сплавов в пределах 1 и 11 простых диаграмм проходит аналогично кристаллизации сплавов, образующих эвтектику из чистых компонентов. Поэтому после окончательного остывания у эвтектического сплава на 1 простой диаграмме структура будет состоять только из эвтектики Э(А + А_nВ_m ), у эвтектического сплава на 11 простой диаграмме - из эвтектики Э(В + А_nВ_m); у доэвтектических сплавов соответ-ственно на 1 простой диаграмме и на 11 простой диаграмме структура будет иметь вид: А + Э(А + А_nВ_m ) и А_nВ_m + Э(В + А_nВ_m ); у заэвтектических сплавов на 1 простой диаграмме - А_nВ_m + Э(А + А_nВ_m ) и у заэвтектических сплавов на 11 простой диаграмме – В + Э(В + А_nВ_m ).