Раздел 15. Сплавы. Физико-химический анализ

Сплавы металлов – это материалы с металлическими свойствами, состоящие из двух или более компонентов, из которых, по крайней мере, один – металл. Основным способом их получения является сплавление компонентов до жидкого однородного расплава с последующим охлаждением. Установлено, что в процессе кристаллизации жидких расплавов могут:

1) выделяться кристаллы исходных компонентов;

2) образовываться химические соединения;

3) образовываться твердые растворы, при этом для одних металлов их взаимная растворимость в твердом состоянии не ограниченна, другие же растворимы друг в друге лишь до определенной концентрации (ограниченная растворимость в твердом состоянии).

При изучении свойств двухкомпонентных сплавов большое значение имеют диаграммы состояния, характеризующие состояние сплавов различного состава при различных температурах. Диаграммы состояния получают экспериментальным путем методом термического анализа. Суть метода рассмотрим на простейшем случае, когда компоненты А и В двойной системы не образуют между собой химических соединений и твердых растворов и выделяются в чистом виде при охлаждении. Если расплавить чистый компонент А и наблюдать понижение температуры t жидкого вещества через определенные промежутки времени, то получаем кривую охлаждения 1 (рис. 6), состоящую из двух понижающихся ветвей, соединенных горизонтальным участком.

Рис. 6. Построение диаграммы по кривым охлаждения

Верхняя и нижняя ветви изображают охлаждение вещества в жидком и твердом состояниях. Характерная горизонтальная площадка отвечает остановке показаний термометра вследствие выделения скрытой теплоты плавления при переходе из жидкого состояния в твердое кристаллическое. При добавлении к компоненту А последовательно возрастающего количества второго компонента В температура плавления смесей будет понижаться, поэтому на соответствующих кривых охлаждения перегибы, указывающие начало выделения кристаллов А из расплава, будут происходить при постепенно понижающихся температурах (см. рис. 6, линии 2, 3). На этих кривых наблюдаются еще вторые перегибы, которые отвечают окончательной кристаллизации расплава с одновременным выделением кристаллов А и В при постоянной температуре, одинаковой для всех двойных смесей. Для одного расплава определенного состава кривая охлаждения (4) имеет одну ярко выраженную остановку Е, отвечающую кристаллизации при постоянной температуре. Такой легкоплавкий сплав получил название эвтектического или эвтектики (от греч. eutёktos – легко плавящийся). Аналогичные кривые охлаждения наблюдаются, если ко второму компоненту В прибавлять возрастающие количества А (см. рис. 6, линии 7, 6, 5). Окончательная кристаллизация расплава происходит при той же постоянной эвтектической температуре.

Геометрические места температур t начальной кристаллизации в зависимости от состава х дают диаграмму плавкости, которая состоит из двух ветвей АЕ и ВЕ, пересекающихся в эвтектической точке Е. Горизонтальная линия, проходящая через эту точку, определяет температуру окончания кристаллизации расплавов различных составов.

Аналогично получают диаграммы состояния других типов.

Двухкомпонентные диаграммы состояния строятся в координатах: температура (ось ординат) – концентрация (содержание) компонентов (ось абсцисс). Цифры по оси абсцисс указывают содержание какого-либо компонента, чаще всего в % мас. Содержание другого компонента находится по разности:

Как уже отмечалось, при охлаждении расплава двух компонентов могут образовываться кристаллы исходных компонентов, химические соединения или твердые растворы с ограниченной или неограниченной растворимостью в твердом состоянии. В зависимости от этого существуют отдельные типы диаграмм состояния, каждый из которых определяется наиболее характерным набором элементов строения диаграммы и рассмотрен далее.

Вертикалью состава называется перпендикуляр, опущенный из любой точки диаграммы на ось концентраций или восстановленный к ней из какой-либо точки этой оси. Всем точкам этого перпендикуляра соответствует один и тот же состав с одинаковым содержанием компонентов.

Изотермами на двухкомпонентных диаграммах состояния являются прямые, проведенные параллельно оси концентраций.

Составы бинарных химических соединений обозначаются точками на оси концентраций (например, А ₁ В ₁, А ₂ В ₂ и т. д.), отражающими содержание компонентов в этих соединениях. Каждому химическому соединению соответствует своя вертикаль состава. В зависимости от характера процесса, происходящего при нагревании соединений и возникающих при этом фазах, различают три типа химических соединений: плавящиеся без разложения (конгруэнтно), плавящиеся с разложением (инконгруэнтно) и разлагающиеся (или образующиеся) при изменении температуры в твердом состоянии. Плавление без разложения означает, что при плавлении кристаллического соединения определенного состава образуется только жидкость (расплав) того же состава; при плавлении с разложением образуется жидкость и выделяются кристаллы другого соединения, при этом составы как жидкости, так и образующегося соединения отличаются от состава исходных кристаллов; к третьему типу соединений относятся соединения, которые еще до образования жидкой фазы разлагаются (или образуются) при изменении температуры в твердом состоянии.

Линия ликвидуса (от лат. liquidus – жидкий) – графическое изображение зависимости температур начала кристаллизации расплавов от их химического состава, представляет собой совокупность точек, отвечающих температурам начала кристаллизации расплавов соответствующих составов при их охлаждении или температурам конца плавления твердых материалов при нагревании. Эта линия является границей между областью существования системы в однофазном жидком состоянии и областью существования двух фаз: жидкой и твердой.

Линия солидуса (от лат. solidus – твердый) – графическое изображение зависимости температур конца равновесной кристаллизации расплавов от их состава. Она представляет собой совокупность точек, отвечающих температурам конца кристаллизации расплавов при их охлаждении или температурам начала плавления при нагревании, и является границей между областью присутствия в системе жидкой и твердой фаз и областью, в которой все фазы находятся в твердом состоянии.

Точка эвтектики – пересечение двух ветвей линии ликвидуса – отвечает самому легкоплавкому составу определенной области диаграммы состояния, который называется эвтектическим. Плавление или кристаллизация эвтектических составов происходит (начинает и заканчивается) при одной и той же строго постоянной и минимальной (по сравнению со всеми другими составами) температуре, называемой эвтектической. Расплавы эвтектических составов кристаллизуются с одновременным выделением кристаллов двух видов, так как точка эвтектики принадлежит сразу двум областям первичного выделения кристаллов разного вида. Эвтектоидная точка аналогична точке эвтектики. Отличие заключается в том, что при кристаллизации расплавов эвтектоидных составов одновременно выделяются кристаллы двух твердых растворов с максимально возможными концентрациями компонентов в твердом состоянии. Эвтектоидные точки присутствуют в системах с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии.

Конноды – это отрезки, являющиеся частью изотерм, соединяющие своими концами точки составов равновесных фаз, т. е. это точки пересечения изотермы с линиями ликвидуса или солидуса.

Диаграммы состояния позволяют, прежде всего, определить для любого состава в данной системе путь кристаллизации и путь плавления. Под условным термином «путь кристаллизации» понимается описываемая на диаграмме последовательность фазовых изменений и изменений составов жидкой и твердой фаз при охлаждении расплава данного состава; под «путем плавления» – та же последовательность, но для твердой смеси, подвергающейся нагреванию вплоть до ее полного расплавления. Следует отметить, что для одного и того же состава графически путь кристаллизации и путь плавления идентичны, но противоположны по направлению и последовательности фазовых превращений.