Основные типы диаграмм состояния

Вид диаграммы состояния определяется характером взаимодействия между компонентами сплава в твёрдом и жидком состояниях. При этом предполагается, что в жидком состоянии между компонентами существует неограниченная растворимость и компоненты образуют однородный жидкий раствор. В твёрдом состоянии компоненты могут образовать сплавы в виде механических смесей из чистых компонентов, неограниченные твёрдые растворы, ограниченные твёрдые растворы, устойчивые химические соединения.

Чистые металлы представляют однокомпонентные системы, сплавы из двух элементов — двухкомпонентные системы и т. д. Диаграмм состояния строят для двухкомпонентных и трёхкомпонентных сплавов. Диаграммы состояния двухкомпонентных сплавов представляют собой график, по оси ординат которого откладывают температуру, а по оси абсцисс — состав сплава.

Диаграммы состояния позволяют правильно выбирать режимы термической обработки, температуру заливки литейных сплавов в формы при получении отливок, режимы нагрева сплавов при обработке давлением и т. п. Кроме того диаграммы состояния дают наглядное представление о зависимости фазового состава и структуры сплава от температуры и концентрации. Они позволяют предвидеть изменение свойств сплавов. Большинство сплавов, применяемых в технике, состоит более чем из двух элементов. Если количество третьего элемента незначительно, то систему можно практически рассматривать как двойную. Если концентрация третьего элемента значительна или когда влияние третьего элемента на структуру и свойства очень велико, строят диаграммы состояния тройных сплавов.

Диаграммы состояния, дающие наглядные представления о превращениях в двойных металлических сплавах при нагреве и охлаждении, строят опытным путем. Существует несколько видов диаграмм состояний двойных сплавов.

Диаграмма первого типа характеризует сплавы, состоящие из элементов, которые в твердом состоянии образуют механическую смесь (эвтектику) (рис. 1.35). В таких сплавах различная концентрация элементов вызывает изменение температуры начала кристаллизации (линия АСВ), а температура конца затвердевания одинакова для всех сплавов данной системы и не зависит от их состава (линия DCE).

Рис. 1.35. Диаграмма состояния, кривые охлаждения и схемы структур сплавов системы Pb – Sb при полном охлаждении до комнатной температуры

Остановка на кривой охлаждения свидетельствует о том, что процесс превращения происходит полностью.

Линию АСВ, соединяющую все точки начала кристаллизации сплавов, называют линией ликвидуса (по латыни означает жидкий). Все сплавы, лежащие выше этой линии, находятся в жидком состоянии. Линию конца затвердевания сплавов DCE называют линией солидуса (по латыни означает твердый). Все сплавы, лежащие ниже линии солидуса, находятся в твердом состоянии. В промежутке между этими линиями сплав состоит из двух фаз: жидкой и твердой. Температура плавления свинца 327 °С, а сурьмы 631 °С. Сплав из 13 % сурьмы и 87 % свинца является эвтектическим.

Температуры, при которых в сплаве происходят фазовые превращения, называются критическими. Критическая точка, соответствующая эвтектичес-кому превращению, равна 245 °С. Сплавы, содержащие менее 13 % Sb, называют доэвтектическими, а сплавы, содержащие больше 13 % Sb, заэвтектическими. Ниже линии DC застывшие сплавы состоят из кристаллов свинца и эвтектики, а ниже линии СЕ — из кристаллов сурьмы и эвтектики

В диаграмме второго типа (рис. 1.29) оба компонента в жидком и твердом сотояниях растворяются друг в друге в любой пропорции, т. е. образуют неограниченные твердые растворы и не образуют химических соединений. Примером может служить сплав, состоящий из меди и никеля. Температура плавления чистого никеля 1452 °С, а меди 1083 °С. В интервале между этими температурами выпадают кристаллы твердого раствора. Верхняя линия диаграммы АСВ — линия ликвидуса, а нижняя ADB — линия солидуса. Выше линии АСВ сплавы находятся в жидком состоянии. Между линиями АСВ и ADB сплавы состоят из кристаллов твердого раствора и жидкого сплава, а ниже линии ADB — из одного твердого раствора. Такую диаграмму имеют также сплавы: железо — кобальт, золото — свинец и др.

В диаграмме третьего типа (рис. 1.37) оба компонента ограниченно растворимы в твердом состоянии и не образуют химиче­ских соединений. Примером может служить сплав алюминий — кремний, железо — медь и др.

Компоненты А и В такой системы обладают в жидком состоя­нии неограниченной растворимостью друг в друге, а в твердом — ограниченной, меняющейся в зависимости от температуры.

Выше линии АСВ (ликвидуса) расположена область жидкого сплава. Линия ADCEB — линия солидуса, DCE — линия эвтектического превращения. В областях ниже линий AD и BE образуются кристаллы α и β.

В точке С образуется эвтектика, состоящая из смеси кристаллов твердых растворов α и β.

В диаграмме четвертого типа (рис. 1.38) оба компонента нерастворимы в твердом состоянии и образуют устойчивое химическое соединение А_пВ_т, которое образует с компонентами А и В простейшие диаграммы состояния. Левая часть А—А_пВ_т представляет случай отсутствия раство­римости компонентов в твердом состоянии, а правая часть А_пВ_т—В — случай полной взаимной растворимости. К таким сплавам относятся магний — висмут, магний — олово и др.

Установлена зависимость механических, физических и технологических свойств (прочность, пластичность, обрабатываемость резанием и давлением и т. д.) сплавов с их диаграммами состояния.

1/7

. Связь свойств сплавов с типом диаграмм состояния

Основоположником учения связи между видом диаграммы состояния и свойствами сплавов является Н. С. Курнаков. Это учение нашло свое дальнейшее развитие в работах А. А. Бочвара и его школы. На рис. 1.39, а...г приведены диаграммы состояния четырех основных типов и соответствующие им закономерности изменений свойств сплавов в зависимости от их состава (два нижних ряда графиков). По осям ординат этих графиков откладывают свойства сплавов (твер­дость, прочность, электропроводность и др.), а по осям абсцисс—содержание компонента F (%). В случае образования механических смесей (рис. 1.39, а) свойства сплавов изменяются по линейному закону. В случае образования твердых растворов (рис. 1.39, 6) свойства изменяются по криволинейной зависимости. Уже при небольших добавках второго компонента такие характеристики, как твердость, электросопротивление, становятся выше, чем свойства компонентов, составляющих сплав, а электропроводность и магнитная проницаемость снижаются. В случае образования ограниченных твердых растворов (рис. 1.39, в) свойства для однофазных твердых растворов изменяются по криволинейной зависимости, а двухфазных—по прямолинейному закону.

В случае образования химического соединения (рис. 1.39, г) свойства изменяются скачком. Химическое соединение отвечает максимуму (или минимуму) свойств на прямой. Эта точка перелома, соответствующая химическому соединению, называется сингулярной точкой. Зная диаграмму состояния, можно определить и технологические свойства сплавов (литейные, обрабатываемость резанием и др.). Например, твердые растворы имеют низкие литейные характеристики, а двухфазные, особенно эвтектические, хорошие литейные свойства. Лучше деформируются в холодном и горячем состоянии однофазные сплавы. Двухфазные сплавы легче обрабатываются резанием, чем однофазные, с точки зрения коррозионной стойкости однофазные сплавы имеют преимущества по сравнению с двухфазными.

Все рассмотренные в этом разделе диаграммы состояния являются равновесными (стабильными), так как они получены при небольших скоростях охлаждения. При больших скоростях охлаждения получаются так называемые неравновесные (метастабильные) диаграммы.

1/8