Общий обзор диаграмм состояния

Процесс кристаллизации металлических сплавов и связанные с ним многие закономерности строения сплавов описывают с помощью диаграмм фазового равновесия, которые в удобной графической форме показывают фазовый состав и структуру в зависимости от температуры и концентрации. Диаграммы построены для условий равновесия; равновесное состояние соответствует минимальному значению свободной энергии.

Для построения диаграммы состояния используют термический анализ, разработанный Н. С. Курнаковым. Экспериментально получают кривые охлаждения отдельных сплавов и по их перегибам или остановкам, связанным с тепловыми эффектами превращений, определяют температуру соответствующих превращений. Эти температуры называют критическими точками.

Диаграмма состояний разделена линиями на области. Отдельные области могут состоять только из одной фазы, а некоторые – из двух, имеющих разные составы, строение и свойства.

Фазой называется однородная часть системы, образованная компонентами сплава, которая во всех своих точках имеет одинаковые составы, строение и свойства. Жидкая фаза представляет собой раствор расплавленных компонентов. Твердые фазы являются зернами, имеющими определенную форму, размер, состав, структуру и свойства. Это могут быть твердые растворы, химические соединения, зерна чистых компонентов, не образующих с другими компонентами ни твёрдых растворов, ни химических соединений. Форма проявления фаз называется структурой сплава.

Анализируя диаграмму состояния, можно составить представление о специфике свойств сплавов данной системы компонентов и характере их изменений в зависимости от состава, а также о возможности термической обработки сплавов и температуре нагрева для ее проведения.

Как известно, вид диаграммы состояния зависит от характера вза­имодействия компонентов в жидком и твердом состояниях, возможности образования устойчивых и неустойчивых химических соединений, протекания тех или иных нонвариантных превращений.

Различные варианты простейших (или типовых) диаграмм состояний, как диаграмм равновесия систем безымянных компонентов А и В, приведены ниже.

1. Диаграмма состояния для сплавов, образующих смеси из чистых компонентов.

Общий вид диаграммы для случая, когда оба компонента сплава в жидком состоянии неограниченно растворимы, а в твердом – не растворяются, не образуют химических соединений и не имеют полиморфных превращений, представлен на рисунке 3.1, а. Фазы: жидкость – Ж, чистые компоненты – А и В. Линия АСВ– линия ликвидус; линия ДСЕ – линия солидус. На линии АС начинают выделяться кристаллы А; на линии СВ – кристаллы В; на линии ДСЕ из жидкости концентрации С одновременно выделяются кристаллы А и В. Эвтектическая смесь двух видов кристаллов, одновременно кристаллизующихся из жидкости, называется эвтектикой.

2. Диаграмма состояния для сплавов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии.

На рисунке 3.1, б приведена диаграмма состояния для сплавов с неограниченной растворимостью компонентов друг в друге в жидком и твердом состоянии, имеющих одинаковые типы решеток, небольшую разницу атомных радиусов (до 10–12 %) и сходное строение наружных электронных оболочек, т. е. близость химической природы металлов.

Линия АМВ– линия ликвидус; линия АNВ – линия солидус; фаза α представляет собой неограниченный твёрдый раствор замещения компонентов А и В, зерна этой фазы имеют единую кристаллическую решетку, но у сплавов разного состава число атомов компонентов А и В в элементарных ячейках решетки различно.

3. Диаграмма состояния для сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состоянии, с эвтектикой.

На рисунке 3.1, в приведена диаграмма состояния для сплавов с ограниченной растворимостью компонентов друг в друге в твердом состоянии, с эвтектическим превращением. Ограниченные твердые растворы на основе компонентов А и В образуются, когда последние заметно отличаются строением и размером атомов, кристаллической структурой и физико-механическими свойствами. Ограниченные твердые растворы могут образовываться по типу замещения и внедрения.

Линия АСВ – линия ликвидус; линия АDCEВ – линия солидус; фаза α является твердым раствором компонента В в кристаллической решетке компонента А; фаза β представляет собой твёрдый раствор компонента А в кристаллической решетке компонента В. Кривые DM и EN – линии ограниченной растворимости в твердом состоянии (сольвус), отражающие характер изменения растворимости компонентов друг в друге в зависимости от температуры. Растворимость компонента В в компоненте А уменьшается с понижением температуры (линия DM). Растворимость компонента А в компоненте В не зависит от температуры (линия EN).

Рис. 3.1. Простейшие (типовые) диаграммы состояния сплавов

DCE – линия эвтектического превращения Ж_В → (α_D+β_E). Смесь получившихся в результате данной реакции ограниченных твёрдых растворов α_D и β_E называется эвтектической (эвтектикой). Сплавы, расположенные между точкой максимальной растворимости М и эвтектической точкой С, называют доэвтектическими, а сплавы, расположенные между С и N, – заэвтектическими.

4. Диаграмма состояния для сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состоянии, с перитектикой.

На рисунке 3.1, г показана диаграмма состояния для сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состоянии с перитектическим превращением. Диаграммы такого типа образуют металлы с небольшой разницей в строении атомов и их размеров, но заметно отличающиеся друг от друга температурами плавления.

Линия АСВ – линия ликвидус; линия АDEВ – линия солидус; линия СDE – линия перитектического превращения, которое заключается в том, что жидкость реагирует с ранее выпавшими кристаллами (Ж_В+β_Е) и образует новый вид кристаллов (Ж_В+α_D). Структура двухфазного сплава представляет собой смесь, в которой фаза, выделившаяся ранее (β -фаза), окружена фазой, выделившейся позднее (α -фаза).