Диаграмма состояния сплавов, образующих механическую смесь компонентов

Диаграмма состояния такого типа (рис.5.1,а) характерна для сплавов, состоящих из компонентов с неограниченной растворимостью в жидком состоянии, а в твердом состоянии не растворяющихся один в другом, т. е. образующих простую механическую смесь.

Смесь кристаллов в сплаве называется эвтектикой или эвтектической смесью, если она закристаллизовалась из жидкости при температуре более низкой, чем температуры плавления отдельных компонентов, образующих этот сплав, (по-гречески eutektos означает легко плавящийся, легкоплавкий). Название смеси кристаллов входит в название типа диаграммы.

В действительности элементов, абсолютно не растворяющихся в твердом состоянии, нет; весьма малая растворимость одного элемента в другом всегда существует. Но в некоторых сплавах эта растворимость так мала, что ею практически можно пренебречь. Рассмотрим диаграмму состояния для этого случая.

Пусть два компонента А и В образуют механическую смесь, т. е. не растворяются один в другом в твердом состоянии. Экспериментально установлено, что в таких сплавах добавка одного компонента к другому понижает температуру начала затвердевания. Температура конца затвердевания не зависит от состава сплава и одинакова для всех сплавов данной системы, т. е. данной пары компонентов. Кривые охлаждения для сплавов этого типа, построенные в координатах температура-время, имеют вид, показанный на рис.5.1,б

На кривой охлаждения каждого сплава температура, соответствующая to_l, отвечает началу затвердевания сплава и называется температурой ликвидуса, температура to_s соответствует концу затвердевания сплава и носит название температуры солидуса. Рассмотрим сплавы (1-11) из металла А и металла В следующего состава, % :

А ... 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

В ... 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

На рисунке показаны кривые охлаждения указанных сплавов системы из компонентов А и В, имеющих различную концентрацию.

Линия KCN - линия ликвидуса; выше температур, образующих эту линию, все сплавы данной пары компонентов находятся полностью в жидком состоянии; линия DCE - линия солидуса; при температурах ниже этой линии все сплавы, состоящие из данной пары компонентов, находятся полностью в твердом состоянии. Совершенно очевидно, что между этими линиями часть сплава находится в твердом, а часть - в жидком состоянии. Для лучшего понимания диаграммы состояния этого типа рассмотрим кристаллизацию сплава 1-1 (рис.5.1,б).

Если сплав находится в жидком состоянии,то существует одна фаза - жидкий сплав, К = 2, Ф = 1 и, следовательно, С = 2 + 1- 1 = 2, т.е. две есть степени свободы. Это значит, что можно (в определенных пределах) менять температуру и концентрацию сплавов, но фазовое состояние их не изменится. В двойных сплавах независимой будет концентрация только одного компонента (так как концентрация второго всегда будет 100 % минус концентрация первого). Так, в сплавах Сu-Zn можно увеличить концентрацию Сu настолько, насколько уменьшится концентрация Zn, если в сплаве задано 85 % Сu, то Zn будет 100 - 85 = 15%.

Действительно, жидкую фазу в двойных сплавах можно нагревать, охлаждать, изменять состав (в определенных пределах), сохраняя сплав в однофазном (жидком) состоянии.

При температуре t⁰_l начнется процесс кристаллизации (рис.5.1,б,сплав К₁). Если в двойных сплавах имеются две фазы (например, жидкий сплав и кристаллы твердой фазы), то К = 2, Ф = 2 и, следовательно, степень свободы системы С = 2+ 1- 2 = 1. Это значит, что можно менять температуру сплавов, но тогда каждой температуре будет соответствовать определенная концентрация фаз. Действительно, две фазы в двойных сплавах могут существовать при различных температурах. Но при этом каждой температуре соответствует определенный состав хотя бы одной фазы, например жидкой.

Следовательно, процесс кристаллизации идет при изменяющейся температуре, и на кривых нагрева и охлаждения отмечается лишь перегиб на кривой, связанный с выделением теплоты кристаллизации. Данный тип диаграммы состояния рассматривает случай, когда компоненты в твердом состоянии не растворяются один в другом, поэтому нетрудно представить, что выпадающие кристаллы в процессе затвердевания будут представлять собой чистый металл; в данном случае при достижении температуры t_f из жидкого сплава будут выделяться кристаллы компонента А. Чтобы определить, какой именно кристалл выпадает из жидкости: А или В, надо провести отрезок горизонтали от точки на линии ликвидус КС до пересечения с вертикальной линией, которая указывает состав металла А .При дальнейшем охлаждении, чем ниже температура, тем больше образуется кристаллов компонента А и меньше остается жидкого сплава.

Вследствие того, что из жидкого сплава все время выпадают кристаллы, остающийся жидкий сплав должен менять свой состав, т. е. обедняться компонентом А, а следовательно, концентрация В в жидком сплаве должна возрастать.

Каждой температуре соответствует жидкий расплав определенного состава. Как же определять состав жидкой части сплава, который может существовать при данной температуре? Для этого надо при данной температуре провести линию, параллельную оси концентрации, до пересечения с линией ликвидуса. Проекция точки пересечения на ось концентраций покажет состав жидкой части сплава, который существует при этой температуре, т. е. находится в равновесии с кристаллами А.

Это значит, что в затвердевающем сплаве 1-1 (рис.5.1) жидкая часть его при температуре t^o_l будет иметь состав К1, при t^o₂ - состав К2, при t^o₃ - состав КЗ и, наконец, при температуре t^o_s оставшийся жидкий сплав будет иметь состав, отвечающий точке С. Следовательно, сплав 1-1, охладившись до t⁰_s, будет состоять из какого-то числа кристаллов А и жидкого сплава, имеющего состав, соответствующий точке С. Но, как это видно из диаграммы, t^o_s является самой низкой температурой, при которой может существовать жидкий сплав. При этой температуре он должен затвердевать.

Так как в жидком сплаве состава, соответствующего точке С, имеются и компонент А, и компонент В, которые не растворяются один в другом в твердом состоянии, то при температуре t_s, в процессе кристаллизации должна образоваться структура, представляющая собой механическую смесь кристаллов А и кристаллов В. Образующаяся при этом механическая смесь сравнительно мелких кристаллов А и В называется эвтектикой.

Следовательно, при кристаллизации эвтектического сплава составы

жидкой и твердых фаз должны быть постоянными. Поскольку температура сосуществования трех фаз постоянна, то на кривой охлаждения или нагрева при наличии трех фаз должна быть остановка (площадка), и пока одна из фаз не исчезнет (закристаллизуется вся жидкая часть при охлаждении или расплавится вся эвтектика при нагреве) температура останется неизменной.

На двухкомпонентных диаграммах состояния сосуществованию трех фаз всегда будет отвечать линия, параллельная оси состава (т. е. постоянной температуры).

Температура, при которой образуется эвтектика (в данном случае t^o_s),называется эвтектической; состав сплава, при котором образуется эвтектика (в данном случае состав сплава определяется точкой С), называется эвтектическим составом.

Сплавы, по своему составу лежащие левее эвтектической точки (т. е. левее точки С на диаграмме рис.5.1 ), называются доэвтектическими, а лежащие правее эвтектической точки - заэвтектическими. Таким образом, сплав 1-1 после снижения его температуры ниже эвтектической будет иметь структуру состоящую из кристаллов А (выделявшихся от t^o_l до t^o_s) и эвтектики, образовавшейся при эвтектической температуре (t⁰_s);эвтектика в свою очередь состоит и кристаллов А и кристаллов В.

Ниже t^o_s в сплаве никаких изменений не происходит, и образовавшаяся структура сохранится до полного охлаждения. Следовательно, структура всех доэвтектических сплавов после затвердевания может быть кратко записана следующим образом: А + эвт (А + В).

Кристаллизация эвтектического сплава протекает при постоянной эвтектической температуре. В таком сплаве свободные (т. е. не входящие в эвтектику) кристаллы А и В отсутствуют.

После затвердевания сплав имеет чисто эвтектическую структуру, которая может быть кратко записана эвт (А + В).

Кристаллизация заэвтектических сплавов протекает аналогично доэвтектическим. Отличие в кристаллизации заэвтектических сплавов сводится лишь к тому, что начало кристаллизации будет идти при температурах ликвидуса NC и выделяться из жидкого сплава будут не кристаллы А, а кристаллы В. С понижением температуры в жидкой части сплава концентрация компонента В будет уменьшаться, а следовательно, концентрация компонента А будет возрастать. Состав жидкого сплава будет изменяться по линии NC. При температуре t_s во всех заэвтектических сплавах (как и в доэвтектических) будет оставаться некоторая часть жидкого сплава эвтектического состава (точки С), которая, кристаллизуясь, образует эвтектику.

Следовательно, структура всех заэвтектических сплавов после затвердевания может быть записана следующим образом: В + эвт (А + В).

Кристаллизация эвтектического сплава носит особый характер. Действительно, температура начала и конца затвердевания такого сплава совпадает, эвтектика затвердевает при низшей температуре, и в ней практически при одной температуре выделяются оба вида кристаллов. Природа эвтектики, характер ее строения и механизм эвтектической кристаллизации были изучены акад. А. А. Бочваром.

Во всей массе жидкого сплава эвтектического состава имеются приблизительно равномерно распределенные атомы компонентов А и В. Для того чтобы кристаллизация шла с образованием кристаллов А и В, необходимо, чтобы атомы этих элементов разрознились - одних местах собирались только атомы А и росли кристаллы А, а в других только атомы В и росли кристаллы В.

Движение одинаковых атомов к определенным местам (центрам кристаллизации) А. А. Бочвар назвал восходящей диффузией.

Но откуда же берутся центры кристаллизации? Ведь они (в чистых двойных сплавах) должны представлять пусть очень маленькие, но кристаллики чистых металлов. Образование этих центров объясняется тем, что хотя атомы, как указано, распределены приблизительно равномерно, но в отдельных объемах возможны отклонения от среднего состава, и эти отклонения могут быть настолько велики, что этот объем будет состоять только из атомов одного компонента. Такие отклонения по составу в жидкости называются флуктуациями и являются центрами кристаллизации. Следовательно, возникновение кристаллов, резко отличающихся по составу от состава жидкого сплава, связано с двумя явлениями: а) отклонением по составу (флуктуацией), приводящим к образованию центров кристаллизации; б) восходящей диффузией, обеспечивающей рост кристаллов (доставка атомов данного компонента к его центрам кристаллизации).

Хотя в конечном итоге эвтектика представляет собой смесь кристаллов, образующихся при одной температуре, но эти кристаллы зарождаются и растут порознь. Пусть в каком-то месте образовался центр роста кристалла А. К этому центру будут двигаться и на нем наслаиваться атомы компонента А из близко расположенной части жидкого сплава. Следовательно, слои жидкости, близкие к растущему кристаллу, будут обедняться атомами компонента А. В этих местах будет оставаться все больше и больше атомов компонента В. В какой-то момент в этой богатой атомами компонента В жидкости уже образуется зародыш другого кристалла, а именно кристалла В. С этого момента в жидкости, окружающей кристаллы А и В, интенсивно идет восходящая диффузия, т. е. атомы каждого компонента пристраиваются к своему кристаллу. В какой-то момент эти кристаллики встретятся, придут в соприкосновение и рост их прекратится. Затвердевание жидкого расплава будет продолжаться путем роста других центров, возникших в других соседних объемах жидкости. В результате кристаллизация эвтектики происходит из большого числа центров, поэтому эвтектическая смесь состоит из мелких кристалликов А и В (по сравнению с размерами кристаллов А или В, которые образовались в доэвтектическом и заэвтектическом сплавах до начала образования эвтектики).

При кристаллизации эвтектики из жидкости сначала выделяется кристаллик одного компонента, а когда рядом в жидкости остается много атомов другого компонента, образуется его кристалл и т. д. Следовательно, есть компонент, ведущий кристаллизацию. Он создает основу (скелет) эвтектики, а второй компонент, кристаллизующийся за ним, остается в межосных пространствах этого скелета. Получение пластинчатого или зернистого строения эвтектики зависит от природы кристаллизующихся компонентов. Чем больше поверхностное натяжение металла, тем более округлыми получаются кристаллы в эвтектике.

Для определения относительного количества (массы) сосуществующих фаз и структурных составляющих одного сплава пользуются правилом отрезков коноды.

Конода - это отрезок горизонтальной линии или изотерма, проведенная внутри двухфазной области диаграммы состояния до пересечения с линиями границ двухфазной области. Так, конода АЕ проведена между вертикальной линией для чистого компонента А и линией ликвидуса. Точка пересечения коноды с линией ликвидуса (точка Е) указывает на состав жидкой части сплава. Спроектировав точку Е на ось концентраций, можно определить химический состав жидкости, прочитав на оси концентраций, сколько процентов металла В (а следовательно, и металла А) имеется в жидком расплавленном сплаве при данной температуре.

Правило отрезков коноды

Пусть необходимо, например, определить количественно соотношение между жидкой и твердой частью сплава 1-1 при температуре t^o_l. Как видно (рис. 5.2) сплав при этой температуре состоит из кристаллов А и жидкого сплава состава, отвечающего точке Е.

Введем следующие обозначения: Q_т - количество (масса) твердой части сплава (в данном случае кристаллов А), Q_ж - количество (масса) жидкой части сплава (в данном случае состава Е), Q_общ - общее количество(масса) сплава. Общее количество сплава будет равно сумме жидкой и твердой частей сплава: (Q_общ= Q_ж + Q_т)

По правилу отрезков коноды общую массу сплава приравнивают длине коноды (АЕ при температуре t^o_l), и тогда количество жидкой фазы Q_ж и количество твердой фазы Q_т определяются отрезками коноды АК и КЕ, которые образовались при пересечении коноды с линией сплава 1-1. Согласно правилу отрезков коноды количество жидкой фазы равно отношению длины отрезка коноды, примыкающего к точке состава твердой фазы, к длине всей коноды:

Q_ж=(АК/АЕ)*100%

Умножение полученного отношения отрезков на 100 % дает возможность выразить количество жидкой части сплава в процентах к общему количеству сплава.

Количество (или масса) твердой фазы сплава равно отношению длины отрезка коноды, примыкающего к точке состава жидкой фазы, к длине всей коноды: Q_т=(КЕ/АЕ)*100%

Итак, для определения количества жидкой и твердой фаз сплава по диаграмме состояния надо поступать следующим образом:

1. Восстановить перпендикуляр к точке, характеризующей состав данного сплава (т. е. провести линию сплава).

2. При заданной температуре провести коноду - горизонтальную линию (изотерму) до пересечения с линиями ограничивающими данную область.

3. Соотношение между жидкой и твердой частями сплава будет обратно пропорционально отрезкам, на которые линия сплава делит коноду.

4. Для определения количества твердой части сплава нужно вычислить отношение длины отрезка, прилегающего к жидкой части сплава, к длине всей коноды.

5. Для определения количества жидкой части сплава нужно найти отношение длины отрезка, прилегающего к твердой части сплава, к длине всей коноды. Поскольку в выражение для количественного определения температура не входит, то правило отрезков верно для любых температур и следовательно любых двухфазных областей разных диаграмм состояний.