Основні типи діаграм стану подвійних сплавів

Діаграма стану сплавів, компоненти яких не розчиняються один в одному в твердому стані та не утворюють хімічних сполук. Діаграма стану таких сплавів наведена на рис.3.1. На цій діаграмі лінії мають такі назви та фізичний зміст. Лінія А₁СВ₁ – лінія ліквідус – геометричне місце точок (температур) початку кристалізації сплавів даної системи. При цьому по лінії А₁С починається кристалізація чистого компонента А, а по лінії СВ₁ – компонента В. Лінія DCE – лінія солідус – геометричне місце точок кінця кристалізації. Крім того лінія DCE має назву лінії евтектичного перетворення, суть якого полягає в тому, що рідка фаза, склад якої відповідає точці С діаграми, кристалізується з утворенням одночасно кристалів А і В. Механічна суміш двох видів кристалів, які одночасно кристалізуються із рідкої фази, називається евтектикою. Евтектичний сплав має найнижчу температуру кристалізації серед сплавів даної системи. Сплави, які розміщені лівіше точки С, називаються доевтектичними. Їх структура складається окремих кристалів компонента А та евтектики. Сплав, який за хімічним складом відповідає точці С діаграми, називається евтектичним і його структура повністю складається з евтектики.

Рис. 3.1. Діаграма стану сплавів, компоненти яких утворюють механічну суміш чистих компонентів

Сплави, які розміщені правіше точки С діаграми, називаються заевтектичними. Їх структура складається із надлишкових окремих кристалів компонента В і евтектики.

Діаграма стану сплавів, компоненти яких можуть необмежено розчинятися як у рідкому, так і в твердому станах. Така діаграма (рис. 3.2) складається з двох ліній – ліквідус А₁МВ₁ і солідус A₁NB₁. Вище лінії А₁МВ₁ усі сплави даної системи знаходяться у рідкому стані. При досягненні при охолодженні лінії А₁МВ₁ (точка t₁) починається кристалізація a-твердого розчину складу х_е. При подальшому охолодженні до температури t₂ у рівновазі з рідиною складу х_а будуть знаходитися кристали a складу х_в, а при t₃ склад рідкої фази визначається точкою х_f, а a-твердого розчину - х_с. При повільному охолодженні внаслідок протікання дифузійних процесів хімічний склад вирівнюється і всі кристали в кінцевому підсумку будуть мати однаковий склад х_с. Але, якщо процес кристалізації відбувається в умовах прискореного охолодження, що звичайно має місце при отриманні литих деталей і злитків, дифузійне вирівнювання складу не встигає відбутися, внаслідок чого отримується неоднорідний склад не тільки в різних кристалах, але й у межах одного кристала. Явище неоднорідності хімічного складу у межах окремого кристала називається мікроліквацією. Має місце також різниця в складах у різних зонах злитка. Це явище має назву макроліквації.

Рис. 3.2. Діаграма стану сплавів, компоненти яких утворюють необмежений твердий розчин

Ліквація, найчастіше, є негативним явищем, особливо, коли це стосується шкідливих домішок.

За діаграмою стану можна прослідкувати за фазовими перетвореннями будь-якого сплаву та визначити склад і кількісне співвідношення фаз у будь-якій точці двофазної області. Це здійснюється за допомогою двох простих правил.

1. Правило визначення складу фаз (правило концентрацій). Для визначення концентрації компонентів у двох фазах через задану точку t₂ (рис.3.2), яка характеризує стан сплаву, необхідно провести горизонтальну лінію (коноду) до її перетину з лініями діаграми, які обмежують область, де знаходиться точка. Проекції точок перетину (а і b) на вісь концентрацій (х_а, х_в) визначають склад фаз. Зокрема, для сплаву І в точці t₂ (рис. 3.2) склад рідкої фази визначається координатою х_а, а склад a-твердого розчину – х_в.

2. Правило визначення кількісного співвідношення фаз (правило відрізків або правило важеля). Для визначення кількісного співвідношення фаз через задану точку t₂ проводять горизонтальну лінію. Відрізки цієї лінії (коноди) між точкою t₂ та точками а і b, які визначають склад фаз, (рис.3.2) обернено пропорційні кількостям цих фаз, тобто математично це можливо записати таким чином:

Q_p/Q_a =bt₂/at₂, (3.3)

де Q_p, Q_a - кількість відповідно рідкої фази та a- твердого розчину; bt₂, at₂ – довжина відрізків коноди.

Ці правила виконуються у будь-якій точці, якщо вона знаходиться у двофазній області діаграми стану та не мають сенсу, якщо вона розташована в однофазній області.

Діаграма стану сплавів, компоненти яких обмежено розчинюються у твердому стані та утворюють евтектику. Діаграма стану таких сплавів (рис. 3.3) має риси як діаграми першого типу, так і діаграми другого типу. На відміну від діаграми першого типу в даній системі кристали чистих компонентів А і В в процесі кристалізації не утворюються, а утворюються кристали обмежених твердих розчинів a і b: a - це розчин компонента В в А, а b - компонента А в В. Тому по лінії А₁D починається утворення a-твердого розчину, а по лінії DB₁ - b-твердого розчину, тобто лінія А₁DB₁ – це лінія ліквідус. Лінія А₁CDEB₁ – це лінія солідус. По лінії А₁С закінчується процес кристалізації a-твердого розчину, а по лінії ЕВ₁ - b-твердого розчину. Лінія СDE – це лінія евтектичного перетворення, суть якого полягає в утворенні із рідкого сплаву евтектичного складу одночасно суміші кристалів a і b- евтектики:

P_D ® евтектика (a+b) (3.4)

Лінії СF і EK – це лінії граничної концентрації, відповідно, компонента В в a-твердому розчині та А в b-твердому розчині. По лінії CF при зниженні температури із a-твердого розчину починається виділення надлишкового компонента В у вигляді b-фази (вторинні кристали), а по лінії ЕК – надлишкового компонента А у вигляді a-фази (вторинні кристали) із b-твердого розчину.

Сплави даної системи також поділяються на доевтектичні, евтектичні та заевтектичні (аналогічно сплавам діаграми стану першого типу).

Діаграма стану сплавів, компоненти яких обмежено розчинюються у твердому стані та зазнають перитектичного перетворення. Діаграму такого типу наведено на рис. 3.4. Лінія А₁СВ₁ – лінія

ліквідус. По лінії А₁С починається кристалізація a-твердого розчину,

Рис.3.3. Діаграма стану сплавів, компоненти яких утворюють обмежені тверді розчини

по лінії СВ₁ - b-твердого розчину. Лінія А₁EFB₁ – лінія солідус. По лінії А₁Е закінчується процес кристалізації a-фази, а по лінії FB₁ - b-фази. Лінія СEF – це лінія перитектичного перетворення:

Р_C + b_F ® a_E. (3.5)

Якщо сплав за складом відповідає точці Е діаграми, то після перитектичного перетворення залишається тільки одна фаза - a-твердий розчин. У доперитектичних (від С до Е) і заперитектичних (від Е до F) сплавах після протікання перитектичної реакції залишається частина другої (надлишкової) фази: у доперитектичних – рідка фаза, а у заперитектичних – b-твердий розчин, тобто процеси, які відбуваються по лінії СЕF можна записати таким чином:

доперитектичні сплави – Р_С + b_F ® a_Е+ +Р_С^зал^. (3.6)

заперитектичні сплави – Р_С + b_F ® a_Е+ b_F^зал. (3.7)

Рис.3.4. Діаграма стану сплавів, компоненти яких утворюють обмежені тверді розчини та зазнають перитектичного перетворення

Діаграма стану сплавів, компоненти яких утворюють стійку хімічну сполуку. Діаграму стану такого типу наведено на рис. 3.5. Хімічну сполуку A_mB_n, яку утворюють компоненти А і В, можна розглядати як новий, третій компонент, що поділяє діаграму стану А-В на дві діаграми першого типу – А-A_mB_n і A_mB_n-В.

Рис.3.5. Діаграма стану сплавів, компоненти яких утворюють стійку хімічну сполуку

Для першої з них лінія А₁СD – це лінія ліквідус, лінія ECF – лінія солідус, а для другої діаграми лінія SB₁ – лінія ліквідус, лінія MSN – лінія солідус. По лінії А₁С починається кристалізація компонента А, по лінії SB₁ – компонента В, а по лініях CD і DS – хімічної сполуки A_mB_n. По лініях ECF і MSN відбуваються евтектичні перетворення, зокрема,

по лінії ECF: Р_С®А+A_mB_n, (3.8)

по лінії MSN: Р_S ® A_mB_n+B . (3.9)