ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ С ОГРАНИЧЕННОЙ РАСТВОРИМОСТЬЮ И ЭВТЕКТИКОЙ

Диаграмма состояния сплавов, когда компоненты в твердом состоянии растворяются ограниченно (см. п. 3) и образуют эвтектику, показана на рис. 4.1.

⁰С

a

e

n

k

q

d

Ж+кр α

Ж+кр β

Ж

эвт.

m bS8s2+erlQPwBrLC/r2mR3b3nMuP/yrLWwAAAP//AwBQSwMEFAAGAAgAAAAhAE4cSs7dAAAACQEA AA8AAABkcnMvZG93bnJldi54bWxMj09Lw0AQxe+C32EZwZvdJJZQ02yKCOIfBLWWnrfZMQnuzobs Nonf3ike9Djv/XjzXrmZnRUjDqHzpCBdJCCQam86ahTsPu6vViBC1GS09YQKvjHApjo/K3Vh/ETv OG5jIziEQqEVtDH2hZShbtHpsPA9EnuffnA68jk00gx64nBnZZYkuXS6I/7Q6h7vWqy/tken4Dm8 uKe3ZLkfc/tqzWq6fnzYkVKXF/PtGkTEOf7BcKrP1aHiTgd/JBOEVZAlac4oGzcZCAaW6Uk4/Aqy KuX/BdUPAAAA//8DAFBLAQItABQABgAIAAAAIQC2gziS/gAAAOEBAAATAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA AABbQ29udGVudF9UeXBlc10ueG1sUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhADj9If/WAAAAlAEAAAsAAAAAAAAA AAAAAAAALwEAAF9yZWxzLy5yZWxzUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhAJ44ufk6AgAAnQQAAA4AAAAAAAAA AAAAAAAALgIAAGRycy9lMm9Eb2MueG1sUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhAE4cSs7dAAAACQEAAA8AAAAA AAAAAAAAAAAAlAQAAGRycy9kb3ducmV2LnhtbFBLBQYAAAAABAAEAPMAAACeBQAAAAA= " strokecolor="black [3213]" strokeweight="1pt">

кр α +эвт.(α +β ) + βII

кр β +эвт.(α +β ) + αII

β +αII

α +βII

α

β

f

m

t1

t2

t3

tэвт

c

o

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Рис. 4.1. Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью и эвтектикой в твердом состоянии

Линия – ликвидус; линия – солидус. Точки и показывают температуры плавления, соответственно, компонентов и .

– ограниченный твердый раствор компонента в компоненте ; решётка будет такая же, как у ( – растворитель). Точка соответствует максимальной растворимости в .

– ограниченный твердый раствор в ; кристаллическая решетка такая же, как у ( – растворитель). Точка соответствует максимальной растворимости в .

Рассмотрим кристаллизацию сплава 1. Кристаллизация нач­нется при температуре . Исходя из правила коноды, из жидкости будут выпадать кристаллы . – конода при температуре . Химический состав жидкости определяется проекцией точки на ось концентраций, а химический состав кристаллов – проекцией на ось концентрации точки . В результате, при кристаллизации, химический состав жидкости меняется по линии ликвидус (от точки до точки ), а химический состав кри­сталлов – по линии солидус (от до ).

Весовое количество жидкости при температуре определяется отношением отрезков , а весомое количество кристаллов – из соотношения .

При температуре жидкость по составу приходит в точку и становится насыщенной одновременно как кристаллами , так и , и идёт эвтектическая реакция:

.

Продукты реакций называются эвтектикой.

Эвтектика – это механическая смесь кристаллов и . Теория кристаллизации эвтектик подробно изучена академиком А. А. Бочваром. Согласно этой теории сначала в жидкости, когда она по составу приходит в точку , зарождаются и растут кристаллы той фазы, которая обогащена более тугоплавким компонентом. В нашем случае это кристаллы , так как температура плавления у компонента выше, чем у (точка расположена выше точки ). При этом жидкость, окружающая кристалл будет обогащаться более легкоплавким компонентом , и в результате происходит выделение кристаллов . Жидкость, прилегающая к кристаллам , в свою очередь, обогащается компонентом , и поэтому вновь выделяются кристаллы -фазы. В результате переменного перенасыщения жидкости по отношению к кристаллам и образуется эвтектика. Микроструктура заэвтектического сплава 1 показана на рис. 4.2.

Эвтектика ( )

Кристаллы ( )

Рис. 4.2. Микроструктура заэвтектического сплава

В интервале температур образуются кристаллы , которые могут иметь форму дендрита, округлую форму или граненную в виде кубиков (рис. 4.2), треугольников и т.п. При образуется эвтектика, состоящая из кристаллов и .

Правило коноды и правило отрезков действует и при температуре ниже температуры эвтектики. По этим правилам можно определить химический состав твердых растворов и , а также их весовой состав.

Кристаллизация сплава 2 идет так же, как и сплава 1, но вместо кристаллов из жидкости будут выпадать кристаллы -фазы. На рис. 4.3 показана микроструктура этого сплава.

Кристаллизация сплава 3. При охлаждении жидкость по со­ставу сразу же приходит в точку и процесс кристаллизации сво­дится к эвтектической реакции. Поэтому структура этого сплава представляет собой чистую эвтектику (рис. 4.4).

Сплав 3 называется эвтектическим. Сплавы же, расположенные левее, то есть в интервале концентрации от до , называются доэвтектическими, а правее, то есть в интервале , называются заэвтектическими.

Эвтектика ( )

Кристаллы ( )

Рис. 4.3. Микроструктура доэвтектического сплава

Эвтектика ( )

Рис. 4.4. Микроструктура эвтектического сплава

Кристаллы сурьмы

Сплавы до- и заэвтектические склонны к ликвации (неоднородности) по удельному весу: легкие кристаллы всплывают на поверхность расплава, а тяжелые оседают на дно, что резко снижает эксплуатационные свойства. На рис. 4.5 показана микроструктура такого сплава; компонентами являются свинец (Pb) и сурьма (Sb).

Для устранения ликвации:

· проводят быструю кристаллизацию, чтобы кристаллы не успели всплыть или осесть (рис. 4.6);

· когда быстрая кристаллизация невозможна (например, при охлаждении крупных отливок) в сплав добавляют специальные легирующие элементы, которые образуют тугоплавкие соединения в виде древовидных или игольчатых кристаллов, на ветвях которых задерживаются всплывающие кристаллы. К примеру, в сплав Pb – Sb добавляют медь (Cu), которая с сурьмой образует химическое соединение Cu₂Sb, имеющее игольчатую форму (рис. 4.7). Эти кристаллы, выделяясь первыми из жидкой фазы, механически препятствуют возникновению ликвации по удельному весу – кристаллы сурьмы задерживаются.

Рис. 4.5. Микроструктура слитка по высоте при медленном охлаждении сплава 80% Pb, 20% Sb

Линия (рис. 4.1) – это линия предельной или максимальной растворимости компонента в . Как видно из рисунка, с понижением температуры (сплав 4) растворимость уменьшается, и избыток компонента выпадает в осадок в виде вторичных кристаллов (сплав 4). Микроструктура сплава 4 будет состоять только из кристаллов (рис. 4.2), а эвтектика отсутствует.

Линия – это максимальная растворимость компонента в , избыток компонента выпадает в кристаллы (сплав 5). Микроструктура сплава 5 будет состоять только из кристаллов (рис. 3), эвтектика также отсутствует.

Сплавы 4 и 5 являются внеэвтектическими.

Рис. 4.6. Микроструктура быстро охлажденного сплава

80% Pb, 20% Sb

Рис. 4.7. Микроструктура сплава 80% Pb, 20% Sb,

легированного медью (Cu).