10162

из жидкого раствора. В результате этого выделения оставшаяся жидкая фаза обогащается компонентом В. В связи с этим охлаждение до темпе-

ратур точки 2 приведет к образованию в сплаве двух фаз Жс + αE. Коли-

чество этих фаз в сплаве определится соотношением отрезков

Жс Е2 .

Е 2С

При температуре точки 2 жидкая часть сплава превратится в эвтекти-

ку:

Жс Е

↓

Эвтектика

1 1 .

Эвтектика 1 1 1

Конечная структура доэвтектического сплава показана на рис. 2.9, а.

Для заэвтектического сплава V кристаллизация в интервале температур точек 1 – 2 сопровождается выделением (β – фазы, богатой более туго-

плавким компонентом В, что приводит к обеднению жидкого раствора этим элементом. Состав выделяющихся кристаллов β изменяется от точки

1' до точки F, а состав жидкой фазы – от точки 1 до точки С.

При охлаждении до температуры точки 2 сплав приобретает структу-

ру Жс + βF, при этом количество этих фаз определится соотношением от-

резков:

Жс 2F .

F C2

При температуре точки 2 жидкая часть сплава превратится в эвтекти-

ку:

Жс F

↓

Эвтектика

1 1 .

Эвтектика 1 1 1

50

Конечная структура такого сплава показана на рис. 2.9, в. Из сказан-

ного становится ясно, что все доэвтектические и заэвтектические сплавы в своей структуре при комнатной температуре имеют эвтектику, состав фаз в которой, как уже отмечалось, остается во всех случаях постоянным. Одна-

ко количество эвтектики в сплавах будет различно, так как эвтектика обра-

зовалась из жидкой фазы концентрации точки С, а это количество в спла-

вах различного состава различно, потому что определяется отрезком E2.

Чем ближе сплав по своему составу к эвтектическому, тем больше в нем эвтектики (рис. 2.8).

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых полностью растворяются в жидком состоянии, но практически не растворимы друг с другом в твердом состоянии и образуют механические смеси в результате эвтектической реакции (рис. 2.10). Твердые фазы в сплавах такого типа – это химически чистые компоненты, либо промежуточные фазы постоянного стехиометрического состава. Такой тип диаграммы состояний имеют сплавы Pb – Sb, Sn – Zn. Диаграмма состояния, кривые охлаждения и схемы структур эвтектического, а также до и заэвтектиче-

ского сплавов показана на рис. 2.10.

51

Рис. 2.10. Диаграмма состояния, кривые охлаждения и схемы струк-

тур сплавов системы Pb – Sb при полном охлаждении до комнатной темпе-

ратуры:

Ж – жидкий раствор; Э – эвтектика

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых полностью растворяются в жидком состоянии, ограниченно – в твердом и обра-

зуют механические смеси в результате перитектической реакции (рис. 2.11). Твердые растворы α и β – это твердые растворы ограниченной рас-

творимости.

В сплавах с содержанием компонента В меньше, чем это определяет точка а, либо больше, чем определяет точка в, кристаллизация приводит к образованию однофазных сплавов α и β (соответственно).

Сплав I называют перитектическим. После предварительного выделе-

ния β – кристаллов из жидкой фазы сплав при температуре точки б испы-

тывает перитектическое превращение в результате которого жидкая фаза Жа и твердая фаза βв, взаимодействуя между собой, создают новую твер-

дую фазу αб.

Жа в б

Количество фаз Жа и βв необходимое для образования фазы аб опре-

делится следующим соотношением:

Подсчет числа степеней свободы в интервале температур кристалли-

зации между точками 1 – б и при температуре перитектической реакции дает следующие значения:

С= К + 1 – Ф = 2 + 1 – 2 = 1 при t1;

С= К + 1 – Ф = 2 + 1 – 3 = 0 при t абв.

52

Следовательно, кристаллизация в первом интервале протекает при пе-

ременной температуре. При этом каждой температуре соответствует опре-

деленная концентрация фаз (при t1 фазовый состав Жа' + βв'). Перитектиче-

ский процесс идет изотермически при постоянной концентрации фаз.

Рис. 2.11. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых огра-

ниченно растворимы в твердом состоянии и имеют перитектическое пре-

вращение

В сплавах до и за перитектических при температуре перитектической реакции имеет место избыток жидкой фазы или β – фазы соответственно. В

связи с этим в заперитектических сплавах (сплав II) перитектическая реак-

ция заканчивается также образованием новой α – фазы, но избыток β -

фазы остается.

Жа а б в (ост)

Врезультате сплав приобретает структуру механической смеси, со-

стоящей из кристаллов двух типов αб и βв (рис. 2.12). В отличие от эвтек-

тической смеси, в которой обе фазы выделяются одновременно и равно-

мерно чередуются, механические смеси, получающиеся при перитектиче-

ском превращении характеризуются тем, что фаза, выделившаяся ранее (в

53

нашем случае, это β – фаза), окружена фазой, выделившейся позднее.

Кроме этого, количественное соотношение фаз в такой смеси переменно:

чем ближе к концентрации перитектического состава, тем в нем больше фазы α.

Рис. 2.12. Схема микроструктуры заперитектического сплава

Для доперитектических сплавов (сплав III) перитектическая реакция не приводит к полному затвердеванию сплава, так как наряду со вновь образовавшейся фазой α, сохраняется жидкая фаза:

Жа в б Жа (ост) .

Винтервале температур 2 – 3 из оставшейся жидкой фазы выделяются кристаллы α. Полное затвердевание сплава произойдет в точке 3, причем,

структура сплава будет однофазная и трудно отличить кристаллы α, обра-

зовавшиеся при перитектической реакции, от кристаллов α, образовавших-

ся непосредственным выделением из жидкого раствора.

Диаграммы состояния сплавов, компоненты которых полностью

растворимы в жидком состоянии и образуют устойчивые промежу-

точные фазы (рис. 2.13).

При химическом составе сплава, отвечающем составу точки D', (рис.

2.13,а) в сплаве образуется промежуточная фаза, состав которой обозначен

АтВn. Фаза устойчива, так как сохраняется при нагреве до температуры

54

плавления, обозначенной точкой D. Диаграммы состояния этой фазы с чистыми компонентами А и В можно рассматривать независимо. На рис.

2.13,б приведена диаграмма состояния сплавов, в которых промежуточная

β – фаза имеет переменный состав.

Рис. 2.13. Диаграммы состояния составов, компоненты которых обра-

зуют устойчивые промежуточные фазы: а — постоянного состава; б — переменного состава

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых полностью

растворимы в жидком состоянии и образуют неустойчивые промежу-

точные фазы (рис. 2.14). Промежуточная фаза АтВn возникает в результа-

те перитектической реакции при температуре, соответствующей линии

абв. Для сплава перитектического состава (сплав /) реакция идет по фор-

муле:

Жа + В → АтВn.

При нагреве эта фаза исчезает раньше, чем сплав полностью распла-

вится. Она исчезнет при температуре точки б, а сплав расплавится при температуре точки 1.

В заперитектических сплавах (Сплав //) реакция закончится образова-

нием механической смеси АтВn + В.

55

Кристаллизация доперитектического сплава (сплав ///) закончится в точке 3 образованием эвтектики (А + АтВn). Структурно свободные кри-

сталлы АтВn частично образуются при перитектической реакции, а частич-

но непосредственным выделением из жидкого сплава в интервале темпера-

тур 2 – 3.

Рис. 2.14. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых обра-

зуют неустойчивые промежуточные фазы

Диаграмма состояния сплавов, испытывающих превращения в твердом состоянии (рис. 2.15 и 2.16).

Сплавы такого типа представляют большой практический интерес, так как наличие превращений в твердом состоянии дает возможность изменять структуру и, следовательно, свойства термической обработкой.

Превращения в твердом состоянии вызваны полиморфизмом одного из компонентов (рис. 2.15). Сплав I после полного затвердевания при тем-

пературе точки 2 в твердом состоянии в интервале температур точек 3 – 4

меняет свою кристаллическую структуру. Это вызвано полиморфизмом компонента А, который до температуры точки G имеет тип кристалличе-

ской решетки Аα, а при температуре более высокой – Aγ.

56

Причем, кристаллическая решетка Аγ такая же, как у компонента В, в

результате чего между ними образуется непрерывный ряд твердых раство-

ров γ.

Рис. 2.15. Диаграмма состояния сплавов с полиморфным превращени-

ем одного из компонентов

Всплавах, состав которых лежит между точками а и б, превращение γ

→α при охлаждении не заканчивается и сплав остается двухфазным α + γ.

Сплавы, состав которых лежит правее точки б, в твердом состоянии пре-

вращений не имеют, структура у них однофазная – γ.

57

Рис. 2.16. Диаграмма состояния сплавов с ограниченной и переменной растворимостью компонентов в твердом состоянии

Превращения в твердом состоянии вызваны переменной растворимо-

стью твердых растворов. Одна из возможных в этом случае диаграмм состояний показана на рис. 2.16. Принципиальное отличие этого типа диаграммы от диаграммы, показанной на рис. 2.8, в том, что твердые рас-

творы α и β являются твердыми растворами не только ограниченной, но и переменной растворимости.

Линии ЕР и FK – это линии растворимости, которые определяют рав-

новесное содержание растворенного компонента при заданной температу-

ре.

В частности, максимальное содержание компонента В в α – фазе опре-

деляется точкой Е и при охлаждении снижается до точки Р, поэтому в сплаве I, после полного затвердевания (точка 2) при дальнейшем охлажде-

нии, начиная с температуры точки 3 из α – фазы будет выделяться избыток компонента В виде вторичных кристаллов β – фазы, богатой компонентом

В. Конечная структура сплава будет α + βII.

Вторичные кристаллы обычно имеют небольшие размеры (округлой,

пластинчатой или игольчатой формы) и могут выделяться либо по грани-

цам кристаллов, либо по всему объему кристаллов α – фазы. Максималь-

ное количество кристаллов β – фазы выделяется в сплаве состава точки Е.

Для сплава II характер превращений тот же, с той разницей, что в ин-

тервале температур 1 – 2 кристаллизуется β – фаза, а в интервале темпера-

тур точек 3 – 4 из нее выделяются вторичные кристаллы α – фазы состава точки р. Максимальное количество таких кристаллов выделяется в сплаве состава точки F.

В эвтектическом сплаве в точке С ЖС превращается в эвтектику (αЕ +

βЕ). При охлаждении в интервале температур ниже точки С состав α – фазы изменяется по линии ЕР, в результате чего выделяются вторичные кри-

58

сталлы β, а состав β – фазы изменяется по линии FK; выделяются вторич-

ные кристаллы α. При комнатной температуре состав эвтектики в сплаве будет иметь четыре слагаемых: эвтектика (αр + βКII + βК + αрII).

В структуре доэвтектических сплавов (сплав IV) помимо такой эвтек-

тики будут кристаллы αр, выделившиеся в интервале температур точек 1 – 2 и вторичные кристаллы βII, выделившиеся при температуре ниже точки

C:

αр + βКII + эвтектика (αр + βКII + βК + αрII).

Для сплавов заэвтектических (сплав V) помимо эвтектики в структуре сплава будут кристаллы βК и αрII: т. е. βК + αрII + эвтектика (αр + βКII + βК +

αрII).

2.6. Связь между свойствами сплавов и типом

диаграммы состояния

Свойства сплавов зависят от взаимодействия компонентов, т. е. от то-

го, какая структура в них получается. Диаграммы состояния характеризу-

ют взаимодействие компонентов и показывают, какая структура образует-

ся в зависимости от состава сплава. Следовательно, существует связь меж-

ду свойствами и диаграммами состояний. При этом вы должны знать, что в связи с большим многообразием диаграмм состояния они были классифи-

цированы:

- диаграмма состояния сплавов (I рода), компоненты которой образу-

ют механическую смесь (рис. 2.17,а);

- диаграмма состояния сплавов (II рода), компоненты которой неогра-

ниченно растворимы в жидком и твердом состояниях (рис. 2.17,б);

- диаграмма состояния сплавов (III рода), компоненты которой неог-

раниченно растворимы в жидком состоянии и ограниченно в твердом (рис.

2.17,в);

59