Диаграмма состояния сплавов (основные типы)

При установлении режимов горячей обработки сплавов (прокатки, ковки, штамповки, прессования и др.), термической обработки (отжига, закалки, нормализации и др.) необходимы сведения о превращениях структуры, ее количественных и качественных изменениях при изменении температуры. Для оценки свойств сплава важно знать не только структуру фаз, но и доли массы, которую они занимают.Если в твердом состоянии при изменении температуры не происходит изменений в строении сплава, то термическая обработка в большинстве случаев теряет смысл.Графическую зависимость состояния сплавов определенной системы от концентрации компонентов (химического состава) и температуры устанавливают диаграммы состояний.По диаграмме можно определить, при какой температуре происходит затвердевание сплава, какие превращения происходят при нагреве и охлаждении, количественный и качественный состав фаз и др. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой образуют механические смеси (Ι рода) Общий вид диаграммы приведен на рис. 21. Компоненты: компонент А и компонент В; фазы: жидкость Ж, кристаллы компонента А и кристаллы компонента В.

Линия СДЕ – линия ликвидус, линия FДК – линия солидус. Наиболее характерным на диаграмме является сплав, кристаллизующийся в точке Д с одновременным выделением кристаллов компонента А и компонента В. Такая механическая смесь двух (или более) видов кристаллов, одновременно кристаллизующихся из жидкой фазы, называется эвтектикой, т. е. легкоплавящейся (от греч. eutektos). Эвтектика образуется при строго определенном количественном соотношении компонентов (в данном случае соответствующем точке d). Следовательно сплав I при охлаждении до температуры, соответствующей точке Д имеет жидкую фазу, а в точке Д кристаллизуется в эвтектику, которая обозначается Эвт [А+В] (рис. 22, а). Сплавы диаграммы, находящиеся левее эвтектического, называются доэвтектическими, а правее – заэвтектическими. В доэвтектическом сплаве II (рис. 21) при охлаждении до температуры, соответствующей точке 1, начинают выделяться кристаллы компонента А. Следовательно, концентрация этого компонента в остающейся жидкой фазе понижается. При достижении температуры солидуса (линия FДК) концентрация компонентов жидкой составляющей будет соответствовать эвтектической, в результате чего по окончании кристаллизации сплав образует эвтектику с находящимися в ней кристаллами чистого компонента А (рис. 22, б).

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой неограниченно растворимы в жидком и твердом состояниях (ΙΙ рода) Компоненты сплавов: компонент А и компонент В; фазы: жидкий раствор Ж и кристаллы твердого раствора. Общий вид диаграммы приведен на рис. 24. Линия С1Д – линия ликвидус, линия С2Д – линия солидус. Подобные диаграммы характерны для сплавов, состоящих из компонентов с неограниченной растворимостью в жидком и твердом состояниях. Компоненты таких сплавов имеют одинаковые по типу с близкими параметрами кристаллические решетки. Рассмотрим кристаллизацию сплава I. При температуре t₁ образуются первые кристаллы твердого раствора состава точки m, т.е. содержащие Вm^/ компонента А и Аm^/ компонента В. Ввиду того, что в образовавшемся твердом растворе компонента В больше, он является растворителем. Значит в начале кристаллизации выделяются кристаллы В(А) – твердого раствора компонента А в компоненте В. С понижением температуры кристаллы твердого раствора продолжают выделяться. При этом их состав меняется по линии солидуса. Одновременно с изменением состава твердого раствора изменяется и состав жидкой фазы по линии ликвидуса. Следовательно происходит перераспределение атомов компонентов А и В между жидкой составляющей и кристаллами твердого раствора. Так, при температуре, соответствующей точке О, состав твердого раствора определяется точкой n, а жидкой фазы – точкой p. К концу кристаллизации (в условиях равновесия) все кристаллы становятся однородными и имеют состав, соответствующий точке К. Выравнивание состава кристаллов происходит за счет диффузии, т. е. перемещения атомов компонента А из жидкого расплава (в котором концентрация А более высокая) в имеющиеся кристаллы В(А).

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой неограниченно растворимы в жидком состоянии и ограниченно в твердом (III рода)

Компоненты сплавов: компонент А и компонент В; фазы: жидкий раствор Ж, ограниченный твердый раствор А(В), кристаллы компонента А и кристаллы компонента В. Твердый раствора А(В) обозначим через. Сплавы с ограниченной растворимостью компонентов в практике встречаются чаще, чем с неограниченной. Ограниченная растворимость состоит в том, что один компонент растворяется в другом до определенного предела. Если растворяемого компонента в сплаве будет больше предела растворимости, то он в твердый раствор не войдет и образуется механическая смесь насыщенного твердого раствора и кристаллов избыточного компонента. Диаграмма состояния с ограниченной растворимостью компонента В в компоненте А и отсутствии растворимости А в В приведена на рис. 25.

На этой диаграмме линия РДЕ – линия ликвидуса, линия РМДН – линия солидуса. Линия МДН – линия эвтектики [+В]. Линия КМ показывает растворимость компонента В в компоненте А. Следовательно, концентрация сплава, соответствующая точке К показывает растворимость В в А при температуре t_А, а точка М соответствует максимальной растворимости компонента В в компоненте А. Значит сплавы левее КМ состоят из кристаллов ненасыщенного твердого раствора А(В); на самой линии КМ насыщенные кристаллы А(В); правее линии КМ в сплавах кроме насыщенных кристаллов А(В), будут еще кристаллы избыточного компонента В, которые обозначаются В_II.

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой в твердом виде образуют устойчивые химические соединения (IV рода)

В металлических сплавах могут образовываться различные химические соединения как между двумя или несколькими металлами (интерметаллиды), так и между металлами и неметаллами (карбиды, оксиды, нитриды и др.). Обычно химическое соединение имеет свою кристаллическую решетку, отличную от кристаллических решеток составляющих его компонентов.

Поэтому свойства химического соединения всегда резко отличаются от свойств этих компонентов. Химическое соединение, как правило, имеет высокую твердость, малую пластичность, большое электросопротивление, относительно низкую теплопроводность. Следовательно, если какие-либо металлы А и В образуют химическое соединение, то оно может быть обозначено простой формулой А_nВ_m, которая показывает, что между собой соединяются n атомов компонента А и m атомов компонента В, образующие одну кристаллическую решетку. На диаграмме состояний этому соединению будет соответствовать определенная ордината. Химические соединения могут быть устойчивыми или неустойчивыми. В первом случае они сохраняются до температуры плавления, во втором – распадаются ниже температуры плавления. Если в химическом соединении возможна замена какой-то части атомов одного из элементов атомами другого, то образуется твердый раствор на основе химического соединения.

На рис. 26 приведена диаграмма состояния двух компонентов образующих одно химическое соединение, в котором оба компонента не растворяются. Компоненты диаграммы: компонент А и компонент В. Фазы: жидкая Ж, кристаллы компонента А, кристаллы компонента В, кристаллы химического соединения А_nВ_m. Линия СДЕМН – линия ликвидуса, ОДРКМЛ – линия солидуса. Линии ОДР и КМЛ – линии эвтектических превращений. Точка Е соответствует температуре плавления химического соединения А_nВ_m.