1.3. Диаграмма состояния сплавов, образующих ограниченные твердые растворы

Этот тип диаграмм наиболее характерен для металлических сплавов.

На рис. 5 обозначены фазы системы при различных составах и температурах. Эти диаграммы представляют своеобразную комбинацию диаграмм первых двух типов. Как видно, застывший сплав не содержит чистых компонентов, он состоит из твердых растворов α и β различного состава, а также эвтектики.

1.4. Диаграмма состояния сплавов, образующих химические соединения

Химическое соединение образуется при строго определенном соотношении количеств компонентов А и В, которое на диаграмме обозначается вертикальной линией. В сплаве, соответствующем химическому соединению, образуется новый тип кристаллической решетки. Такой сплав имеет определенную температуру плавления, характеризуется высокой твердостью и хрупкостью. Так, сплав  соединение CuAl имеет твердость 400 ед. НВ, в то время как твердость Сu и Аl оставляет соответственно 35 и 20 ед. НВ.

Рис. 6. Диаграмма состояния системы

Mg-Pb

Диаграмма состояния системы с устойчивым химическим соединением A_nB_m которое не распадается вплоть до момента плавления) представляет собой как бы приставленные одна к другой диаграммы состояния двух систем: А – A_nB_m и A_nB_m – В. На рис. 6. приведена диаграмма состояния двухкомпонен-тной системы Mg-Pb, образующей химические соединения Mg₂Pb. Многие двойные сплавы имеют более сложные диаграммы состояния.

1.5. Диаграмма состояния сплавов, образующих перитектику

При эвтектическом превращении жидкость кристаллизуется с образованием двух твердых фаз. Возможен и другой тип трехфазного равновесия, когда жидкость реагирует с ранее выделившимися кристаллами и образует новый вид кристаллов: L + β → α. Реакция подобного типа называется перитектической. Диаграмма с перитектическим превращением приведена на рис. 7. На диаграмме показаны три однофазных области: жидкость (L) и ограниченные твердые растворы α и β. Линия ABC является линией ликвидус, линия APDB – линией солидус.

Р

Рис.7. Диаграмма состояния с перитектикой

ассмотрим кристаллизацию сплава I. Кристаллизация начинается в точке 1, когда из жидкости выпадают кристаллы β-раствора состава точки а. Затем по мере снижения температуры жидкость меняет свой состав по линии ликвидус от точки 1 до точки С, а кристаллы β – по линии солидус от точки b до точки D. По достижении перитектической горизонтали CPD состав жидкости будет отвечать точке С, а состав кристаллов – точке D. Эти обе фазы реагируют и дают третью фазу α, концентрация которой определяется точкой Р – третьей точкой на горизонтали. Количественное соотношение фаз при перитектической реакции определяется правилом конод.

1.6. Метод определения количества и состава фаз в сплаве

Пользуясь диаграммой состояния и правилами отрезков (конод), можно определить количество фаз в сплаве в любой момент затвердевания.

Первое правило формулируется следующим образом: чтобы определить концентрацию компонентов в фазах через данную точку, характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими данную область; проекции точек пересечения на ось концентраций показывает составы фаз.

Второе правило отрезков: для того чтобы определить количественное соотношение фаз, через заданную точку проводят горизонтальную линию. Отрезки этой линии между заданной точкой и точками, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз.

Правило отрезков (конод) в двойных диаграммах состояния можно применять только в двухфазных областях. В однофазной области имеется лишь одна фаза; любая точка внутри области характеризует ее концентрацию.

Для примера возьмем часть диаграммы системы сплавов свинец-сурьма, характеризующую доэвтектические составы (рис. 8). Соотношение жидкой и твердой фаз при любой температуре затвердевания сплава определяется плечами горизонтального рычага, проведенного через данную точку. Так, количество жидкой фазы в точке k соответствует плечу lk, количество твердой фазы – плечу ks рычага ls, а количество всего сплава – длине рычага ls. Для измерения плеч проще всего взять шкалу процентного содержания сурьмы. Пользуясь этой шкалой, находим, что доля жидкой фазы выбранного сплава (Pb – 5 % Sb) в точке k составляет 5/11, а доля твердой – 5/11 от массы сплава. При дальнейшем охлаждении количество жидкой фазы будет постепенно уменьшаться и к точке b составит 5/13 от всего сплава. В этой точке произойдет затвердевание оставшегося жидкого раствора, который перейдет в эвтектику. Следовательно, массовое содержание эвтектики в сплаве 5 %Sb составит 5/13 массы сплава.

Если обозначить через Q массу взятого сплава, через Q_L – количество жидкой фазы, а через Q_S – количество твердой фазы, то по правилу рычага можно написать следующие соотношения:

Х

Рис. 8 . Фрагмент диаграммы состояния Pb-Sb

имический состав жидкого сплава в любой точке отрезка ab определяется проекцией данной точки на линию ликвидуса. Так, в точке а расплав будет содержать 5 % Sb, а в точке b – 13 % Sb. Таким образом, состав расплава данного сплава при затвердевании определяется точками на линии ликвидуса в зависимости от температуры.