Діаграми стану систем з обмеженою розчинністю компонентів у твердому стані

Такі типи систем найчастіше мають місце в металевих сплавах. При утворенні обмежених твердих розчинів зустрічаються два типи діаграм стану: з евтектичним і з перитектичним перетворенням.

Діаграма стану систем з утворенням обмежених твердих розчинів і евтектичним перетворенням (рис. 4.5)

а б

Рисунок 4.5 – Діаграма стану (а) і криві охолодження (б) системи з обмеженою розчинністю компонентів у твердому стані з евтектичним перетворенням

Лінією ліквідусу на цій діаграмі є лінія СЕD, а лінією солідусу – лінія CFEGD. На горизонтальній частині цієї лінії FEG відбувається евтектичне перетворення: РЕ (F +G (читається: рідина складу точки Е перетворюється в суміш двох фаз - -твердого розчину складу точки F і -твердого розчину складу точки G) , де  і  - обмежені тверді розчини компонента В у компоненті А () і компонента А в компоненті В ().

Крім цих ліній на діаграмі є і дві нові – лінії так званого сольвусу, тобто обмеженої розчинності у твердому стані – FH і GI. Перша з них показує границю розчинності компонента В у компоненті А, тобто граничний вміст компонента В в -твердому розчині. Відповідно, лінія GI є граничним вмістом компонента А в -твердому розчині. З положення цих ліній видно, що взаємна розчинність компонентів із зниженням температури зменшується.

Вказані лінії діаграми ділять її площу на 3 однофазні та 3 двофазні області. До однофазних належать область рідкого розчину (вище лінії ліквідусу CED), область CFHA -фази і область DGIB -фази. Двофазними є області CEF і DEG, в яких відбувається кристалізація первинних кристалів відповідно - і -твердих розчинів, а також область існування двох твердих розчинів  і  - HFGI. В цій області відбуваєтьсявторинна кристалізація, в якій, на відміну від первинної, не бере участі рідка фаза. Вторинна кристалізація полягає в тому, що після первинної кристалізації будь-якого сплаву, що лежить між точками H і I, і в складі структури якого є - чи -тверді розчини, ці тверді розчини при подальшому охолодженні до температур ліній сольвусів FH чи GI стають насиченими, а нижче цих ліній – перенасиченими. Оскільки стан перенасиченого твердого розчину є незрівноваженим, починається його розпад із виділенням надлишкового компонента.

Найчастіше це відбувається на межах зерен відповідного твердого розчину у вигляді окремих дисперсних часток або суцільних прошарків (рис. 4.6).

Як приклад розглянемо процеси кристалізації двох сплавів II і III. Первинна кристалізація сплаву II відбувається в інтервалі температур 4-5, де вся рідина закристалізується у вигляді -твердого розчину. До точки 6, яка знаходиться на лінії сольвусу FH , цей розчин є ненасиченим компонентом В, у точці 6 він стає гранично насиченим, а нижче від неї – перенасиченим і при подальшому його охолодженні до точки 7 з нього виділяється надлишковий елемент – компонент В у вигляді -твердого розчину (рис. 4.6).

Рисунок 4.6 – Схеми мікроструктури сплаву II (рис. 4.5)

Таку остаточну структуру мають усі сплави в області FHF1 діаграми. Оскільки вторинна кристалізація відбувається в твердому стані при невисоких температурах, дифузія проходить досить повільно і вторинна кристалізація за описаним механізмом може відбутися досить повно тільки в умовах дуже повільного охолодження. В реальних же умовах кристалізації зберігається певне перенасичення -фази компонентом В. Але перенасичений твердий розчин є нестійким і в подальшому довільно розпадається, що супроводжується суттєвою зміною властивостей сплаву, перш за все - механічних: підвищенням твердості та міцності, зниженням пластичності і в’язкості. Таке явище називається старіння або дисперсійне тверднення, яке широко використовується при термічній обробці кольорових металів, зокрема алюмінієвих сплавів (див. лаб. роботу № 9).

Аналогічно відбувається кристалізація сплавів, що знаходяться між точками G та I (наприклад, сплаву VI). Тільки в цих сплавах перенасиченим розчином є -твердий розчин і з нього виділяється при охолодженні нижче лінії GI надлишковий компонент А у вигляді -твердого розчину.

Кристалізація сплаву III відбувається в три етапи. На першому з них, в інтервалі температур 8-9, з рідини виділяються первинні кристали -фази. Склад рідини при цьому змінюється вздовж лінії ліквідусу від точки 8 до евтектичної точки Е, а склад -фази – по лінії солідусу від точки 11 до точки F. Другим етапом є евтектична кристалізація в точці 9:

РЕ (F +G).

Нижче від неї до точки 10 (до кімнатної температури) проходить вторинна кристалізація – розпад перенасиченого -твердого розчину з виділенням вторинних кристалів II. Водночас відбувається розпад -твердого розчину, що входить до складу евтектики, з виділенням вторинних кристалів II. Але вторинні кристали II i II не утворюють нових окремих структурних складових, а виділяються на вже існуючих тих же фазах евтектики. Тому остаточна структура цього сплаву III, як і будь-якого іншого доевтектичного сплаву, має всього дві складові: первинні кристали -фази та евтектику (+), як показано на рис. 4.7.

Рисунок 4.7 – Схема мікроструктури сплаву доевтектичного складу

Кристалізація будь-якого заевтектичного сплаву відбувається аналогічно, лише  - і -фази міняються місцями.