Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов

Если компоненты сплава образуют твердые растворы с ограниченной концентрацией, то диаграмма состояния представляет собой сочетание двух предыдущих вариантов (рис. 58).

Возьмем пример, когда компонент B ограниченно растворяется в компоненте A, но компонент A в решетку B не встраивается. Ликвидус диаграммы (линия 1-2-3), как и в предыдущем случае, имеет две ветви. Под кривой 2-3 идет кристаллизация компонента B, но под кривой 1-2 образуются кристаллы не чистого компонента A, а твердого раствора компонента B в решетке компонента A. Обозначим его буквой a. Пусть предельная растворимость компонента B в решетке A составляет величину, равную отрезку A-4', где 4' – проекция точки 4 на ось концентраций. В таком случае солидус диаграммы на участке 1-4 представляет собой кривую, как и на диаграмме с неограниченной растворимостью. А за пределом растворимости, правее точки 4, солидус является прямой, параллельной оси концентраций, как на диаграмме с полной нерастворимостью компонентов. На этом участке, 4-2-5, идет кристаллизация эвтектики, которая состоит из мельчайших кристалликов твердого раствора a и компонента B: Э = a + B.

Ниже солидуса 1-4-2-5 все сплавы данной системы находятся в твердом состоянии, но фазовые превращения на этом не заканчиваются. Вспомним, что все твердые тела при охлаждении сжимаются, то есть межатомные расстояния в кристаллической решетке уменьшаются. Это значит, что «чужие» атомы компонента B начнут вызывать все большие напряжения в решетке растворителя. При бесконечно медленном, равновесном охлаждении эти атомы «выталкиваются» из кристаллов твердого раствора, поскольку система стремится к минимуму свободной энергии, а напряжения от «лишних» атомов этот запас свободной энергии повышают. Атомы компонента B, уходя из твердого раствора, образуют собственные кристаллики, очень маленькие по сравнению с первичными (выросшими из расплава) кристаллами твердого раствора a (рис. 59).

Итак, растворимость при охлаждении снижается; каждой температуре соответствует своя равновесная концентрация растворенного компонента B. Вот откуда на диаграмме появляется линия 4-6 – линия фазового превращения в твердом состоянии. Ее называют линией предельной растворимости компонента B в компоненте A. Выше этой линии сплав является однофазным твердым раствором a, а ниже – двухфазным: a + B_II. Нижний индекс «II» означает в данном случае то, что эти кристаллы компонента B являются вторичными, т. е. появились при распаде твердого раствора, а не из расплава.

Если бы компонент A тоже ограниченно растворялся в компоненте B, то на диаграмме справа тоже появилась бы линия предельной растворимости.

Важная особенность сплавов с концентрацией второго компонента от точки 6 до точки 4': их можно подвергать упрочняющей термической обработке, так как у них есть фазовое превращение в твердом состоянии. Если ускорить охлаждение сплава, то выделение атомов B из твердого раствора может и не успеть произойти. Поэтому сплавы с переменной растворимостью второго компонента подвергают закалке (это нагрев выше линии предельной растворимости и быстрое охлаждение, чтобы не дать атомам B выделиться из твердого раствора) и старению (это нагрев полученного пересыщенного твердого раствора до температур ниже критических, чтобы образовались мельчайшие кристаллики второй фазы). После такой термообработки сплавы становятся значительно прочнее: происходит упрочнение дисперсными частицами второй фазы.

Сплавов с ограниченной взаимной растворимостью компонентов, имеющих диаграмму такого типа, гораздо больше, чем сплавов с диаграммами первых двух видов. Примеры сплавов с ограниченной взаимной растворимостью: Al– Cu, Al – Si, Ag – Cu, Pb – Sn.