 |
Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых не растворяются друг в друге в твердом состоянии
|
|
|
|
Сплавы, затвердевающие в соответствии с данной диаграммой, характеризуются тем, что их компоненты:
- в жидком состоянии растворяются друг в друге в любых соотношениях;
- в твердом состоянии совершенно не растворяются один в другом;
- не образуют между собой химических соединений;
- не имеют аллотропических превращений.
Такой тип диаграммы имеют, например, сплавы: свинец-сурьма, серебро-свинец, алюминий-олово, свинец-барий, кадмий-висмут, олово-цинк.
Рассмотрим построение диаграммы состояния "свинец-сурьма" (Pb-Sb). Для этого берут чистые свинец и сурьму и на их основе готовят ряд сплавов с различным содержанием компонентов. Сплавы расплавляют и при медленном охлаждении с постоянным теплоотводом записывают кривые охлаждения (рис. 1).
Начальные точки каждой кривой охлаждения соответствуют нулевому отсчету времени и отвечают жидкой фазе. Точки излома и горизонтальные площадки являются критическими точками. Чистый свинец (кривая 1) имеет только одну критическую точку при температуре плавления (327°С). Чистая сурьма (кривая 6) также имеет одну критическую точку, которая соответствует 631°С. Сплав, содержащий 13% сурьмы и 87% свинца (эвтектический сплав), имеет также одну критическую точку, выраженную горизонтальной площадкой при температуре 246°С (кривая 3). Все остальные сплавы (кривые 2, 4, 5) имеют по две критические точки.
Температуры начала кристаллизации у этих сплавов различны, а температура конца кристаллизации у всех сплавов одна и та же и равна 246°С.
Построение диаграммы состояния проводится в координатах "температура-концентрация компонентов".
На оси концентраций крайние точки соответствуют чистым компонентам: левая ордината – 100% Pb, правая – 100% Sb. Каждая точка этой оси характеризует сплав определенной концентрации. Проводим ординаты сплавов, для которых построены кривые охлаждения, и переносим на них критические точки. оединив линией точки начала кристаллизации сплавов, олучим линию АСВ - линию ликвидус.
|
|
|
Линией ликвидус называется геометрическое место точек начала кристаллизации. Выше этой линии все сплавы данной системы находятся в жидком состоянии.
Соединив точки конца кристаллизации, получим линию ДСЕ - линию солидус.
| в |
| В |
| Е |
| в¢ |
| t,°C |
| Содержание Sb, % |
| Время, с |
| Кривые охлаждения |
| Диаграмма состояния |
| Жидкость(Ж) |
| Ж+Pb |
| Ж+Sb |
| N |
| а |
| А |
| D |
| а¢ |
| С |
| Sb+Э(Pb+Sb) |
| Pb+Э(Pb+Sb) |
| Э(Pb+Sb) |
| 100% Pb |
| Концентрация компонентов, ®Sb, % |
| 246° |
| 327° |
| 631° |
| t,°C |
| Ликвидус |
| Солидус |
Рисунок 1 – Построение диаграммы состояния «свинец-сурьма» по кривым охлаждения
Линией солидус называется геометрическое место точек конца кристаллизации. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии.
Линия солидус на диаграммах данного типа является линией эвтектического превращения, так как на ней происходит кристаллизация эвтектики.
Эвтектика представляет собой мелкодисперсную механическую смесь компонентов (свинца и сурьмы) (рис. 2) или фаз. Она имеет постоянный состав и наименьшую температуру плавления. Затвердевание эвтектики происходит при постоянной температуре (как и чистых металлов).
Рисунок 2 – Микроструктура эвтектического сплава, х250
(Pb – 87%, Sb – 13%)
Сплавы левее точки С называются доэвтектическими, а правее - заэвтектическими. При кристаллизации сплавов, отличающихся по составу от эвтектического, в первую очередь ниже линии ликвидус кристаллизуется избыточный по сравнению с эвтектическим составом компонент. В доэвтектических сплавах ниже линии АС кристаллизуется свинец (рис. 3).
|
|
|
Рисунок 3 – Микроструктура доэвтектического сплава, х250
(Pb – 94%, Sb – 9%).Первичные кристаллы свинца и эвтектика.
В заэвтектических сплавах ниже линии СВ кристаллизуется сурьма (рис. 4).
Рисунок 4 – Микроструктура заэвтектического сплава, х250
(Pb – 70%, Sb – 30%).Первичные кристаллы сурьмы и эвтектика.
Количественный структурно-фазовый анализ сплавов
Пользуясь диаграммой состояния можно для любого сплава при любой температуре определить не только число фаз, но и их состав и количествен-ное соотношение. Для этого используется правило отрезков.
Для анализа фазового состава в любой точке двухфазной области через эту точку (например N, рис. 1) проводится горизонтальный отрезок влево и вправо до пересечения с линиями диаграммы. Этот отрезок (ав) называется конодой.
Конода [conoid] – линия на диаграмме состояния, соответствующая постоянным внешним условиям (Т, Р) сосуществующих фаз, позволяющая определить состав каждой, а также их количественное соотношение в сплаве.
Имея коноду, можно ответить на следующие вопросы:
1. Какие фазы существуют в данной точке (N)?
В точке N существуют те фазы, которые находятся в равновесии на концах коноды (жидкость в точке «а» и кристаллы чистого компонента Sb в точке «в»).
2. Каков состав соответствующих фаз?
Состав их таков, каков он в точках на концах коноды (жидкость в точке N имеет состав точки «а», а твердая фаза Sb – состав точки «в»).
3. Каково количественное соотношение фаз?
Если всю коноду принять за 100%, то соотношение отрезков аN и Nв дает соотношение фаз. Здесь действует правило обратной пропорциональности (правило отрезков). Отрезок, прилегающий к жидкой фазе (аN), показывает количество твердой фазы, а отрезок, прилегающий к твердой фазе (Nв), – количество жидкой фазы.
Например, количество жидкой фазы в точке N
,
а количество твердой фазы в точке N (кристаллов Sb)
.
Так как на линии DСЕ во всех сплавах кристаллизуется эвтектика, а при последующем охлаждении вплоть до комнатной температуры структурных изменений в сплавах не происходит, то структура доэвтектических сплавов будет состоять из крупных кристаллов свинца и эвтектики, заэвтектических - из крупных кристаллов сурьмы и эвтектики, а эвтектического сплава - только из эвтектики.
|
|
|
|
|
|
