Порядок построения диаграммы состояния

Зависимость агрегатного состояния сплавов от их состава и температуры устанавливают экспериментально на основе термического анализа.

При термическом анализе:

а) отбирают пробы с заданной концентрацией компонентов (или чистый металл);

б) нагревают пробу до растворения;

в) охлаждают сплав (чистый металл), фиксируя температуру через равные промежутки времени;

г) строят кривые охлаждения и определяют критические температуры.

Под кривой охлаждения понимают график, который характеризует скорость охлаждения сплава или чистого металла.

Критическая температура – температура, при которой происходит какое-либо превращение в металле (переход из жидкого состояние в твердое или перекристаллизация), а точки, обозначающие начало и конец этого превращения – критические точки.

Для определения критических точек, одновременно с термическим анализом, могут применяться и другие методы исследования: металлографический, рентгеноструктурный.

В качестве примера рассмотрим порядок построения диаграммы состояния I типа, по которой кристаллизуются сплавы “механическая смесь”.

Диаграмму состояния строят на основании кривых охлаждения ряда сплавов различной концентрации данной системы. По остановкам и перегибам на кривых охлаждения определяют критические точки, которые используют для построения диаграмм состояния. На кривых охлаждения перегибы и остановка температуры вызваны тепловым эффектом превращений. Во время кристаллизации высвобождается энергия поступательного движения атомов, которая выделяется в виде теплоты, называемой скрытой теплотой кристаллизации (перекристаллизации). Эта теплота компенсирует внешний отвод тепла в процессе охлаждения сплава, скорость снижения температуры задерживается.

Рассмотрим построение кривых охлаждения сплава Pb-Sb (рис. 3.3,а). Чистые металлы имеют одну критическую точку – температуру кристаллизации, а сплавы – две, причем вторая критическая точка для всех сплавов соответствует одной температуре 246⁰С. При этой температуре состав жидкой фазы всех сплавов одинаковый (13% Sb, 87% Рb). Это происходит потому, что процесс кристаллизации сплавов, содержащих 5 и 10% Sb, начинается с выделения кристаллов чистого свинца, а кристаллизация сплава,

Рис. 3.3. Сплавы системы свинец-сурьма:

а – кривые охлаждения; б – диаграмма состояния; в, г, д – схемы структур
соответственно доэвтектического, эвтектического и заэвтектического сплавов

содержащего 40% Sb, начинается с выделения кристаллов чистой сурьмы. Вследствие этого в первом случае остающийся жидкий сплав обедняется свинцом и обогащается сурьмой, а во втором – обедняется сурьмой и обогащается свинцом. При достижении температуры 246⁰С из жидкой фазы одновременно выделяются кристаллы свинца и сурьмы, образуя механическую смесь.

Механическую смесь кристаллов двух видов, одновременно кристал-лизующихся из жидкого сплава при постоянной температуре, называют эвтектикой.

Только чистые металлы и эвтектика плавятся и затвердевают при постоянной температуре. Затвердевание всех остальных сплавов происходит постепенно, причем, как упоминалось выше, из жидкого сплава сначала выделяется избыточный по отношению к составу эвтектики компонент.

Для построения диаграммы состояния на оси абсцисс откладываются составы шести сплавов и восстанавливают из соответствующих точек вертикальные линии (рис. 3.3,б). Затем переносятся из кривых охлаждения сплавов критические точки, соединив которые, получим диаграмму состояния.

Верхняя кривая АОВ соответствует температуре начала кристаллизации сплавов, т.е. при температуре выше указанной линии сплав находится в жидкой фазе, ниже – присутствует жидкая и твердая составляющие. Нижняя прямая COD соответствует температуре конца кристаллизации, ниже которой сплав находится в твердом состоянии. Первую линию называют линией ликвидус, а вторую – солидус. Сплавы, которые содержат сурьмы меньше 13%, называются доэвтектическими, а сплавы, содержащие сурьмы больше 13%, –заэвтектическими.В точке О кристаллизуется сплав эвтектической концентрации (в данном случае это 13% Sb и 87% Рb). Структура сплава состоит только из эвтектики.

По диаграмме состояния I типа кристаллизуются сплавы Zn-Sn, Pb-Sn,
Pb-Ag, Ni-Cr, Cr-Mn, Cu-Bi, Al-Si.