 |
4.2.3. Диаграмма состояния с ограниченной взаимной растворимостью компонентов А и В в твердом состоянии эвтектического типа
|
|
|
|
Это системы, в которых из расплавов кристаллизуются не чистые компоненты, а твердые растворы. В системах с ограниченной растворимостью в твердом состоянии присутствуют: фаза жидких растворов ( L ); твердая фаза 1 ( α ) - кристаллы твердого раствора на основе компонента А; твердая фаза 2 ( β ) - кристаллы твердого раствора на основе компонента В .
В твердом состоянии, как правило, компоненты растворены друг в друге только до некоторого предела. Эти пределы растворения зависят от температуры.
Твердые растворы образуются или по типу замещения, или по типу внедрения. Последние - это однородные системы, в которых атомы одного компонента размещаются между узлами кристаллической решетки другого компонента. При этом компоненты, как правило, заметно отличаются размером атомов, кристаллической структурой и физико-химическими свойствами.
Области граничных твердых растворов располагаются вблизи чистых компонентов.
Различают два типа диаграмм состояния с ограниченной растворимостью в твердом состоянии:
- диаграммы эвтектического типа;
-диаграммы перитектического типа.
Характеристика фазовых равновесий в системе
На рис. 4. 4 представлена диаграмма плавкости двойной системы с эвтектикой и присутствием граничных твердых растворов вблизи чистых компонентов. Для такой диаграммы состояния характерны три однофазных поля, где существуют жидкие (поле L ) или твердые растворы (поле α и поле β ).
|
| Рис. 4. 4. Диаграмма плавкости с ограниченной растворимостью эвтектического типа (а) и характерные кривые охлаждения (б) |
Три двухфазные области данной диаграммы характеризуют равновесное сосуществования соответствующих пар фаз:
|
|
|
| L + α; L + β; и α + β |
Все три фазы данной системы: L+α +β одновременно сосуществуют на эвтектической горизонтальной прямой.
Поле L - однофазная область существования во всем диапазоне концентраций жидкого раствора ( Ф=1 и С=2 ), который ограничивается кривыми ликвидуса ТАЕ и ТВЕ.
Поле α – однофазная область существования твердого раствора с преимущественным содержанием компонента А (компонент В растворяется в кристаллической решетке компонента А ) ( Ф=1 и С=2 ). Эта область ограничивается кривой солидус ТАМ и кривой ограниченной растворимости MF. Проекция точки М на ось концентраций указывает состав твердого раствора α с максимальной растворимостью компонента В в А.
Поле β – однофазная область существования твердого раствора на основе компонента В (компонент А растворяется в кристаллической решетке компонента В ) ( Ф=1 и С=2 ). Эта область ограничивается кривой солидус ТВN и кривой ограниченной растворимости ND. Проекция точки N на ось концентраций указывает состав твердого раствора β с максимальной растворимостью компонента А в В.
В двухфазных областях ( Ф=2 и С=1 ), состав сосуществующих равновесных фаз зависит от температуры равновесия и определяется по коннодам:
· поле (L+α ) - двухфазная область равновесного сосуществования жидких растворов, составы которых лежат на линии ликвидус ТАE и твердых растворов, лежащих на линии солидус ТАМ ;
· поле (L+β ) - двухфазная область равновесного сосуществования жидких растворов, составы которых лежат на линии ликвидус ТВE и твердых растворов, лежащих на линии солидус ТВ N;
· поле (α +β ) – двухфазная область равновесного сосуществования двух твердых растворов. Линии ограниченной растворимости MF и ND дают составы насыщенных твердых растворов α и β соответственно, находящихся в равновесии друг с другом.
|
|
|
Все три двухфазные области соединяются на линии эвтектики MN .
Линию эвтектики можно представить как совокупность трех коннод соответствующих двухфазных областей. Поэтому пересечение ветвей ликвидус ТАЕ и ТВЕ на линии эвтектики в точке Е определяет состав эвтектического жидкого раствора LE. Пересечение линии эвтектики с кривыми солидус указывают составы соответствующих эвтектических твердых растворов: точка М определяет эвтектические кристаллы α М и точка N - эвтектические кристаллы β N.
Линия эвтектики является трехфазной ( LЕ , α M, β N) и нонвариантной ( Ф=3 и С=0 ). Все фигуративные точки на этой горизонтали находятся при температуре ТЕ и имеют фиксированный состав фаз, соответствующий точкам M ( α M) , N ( β N) и E ( LЕ ).
Фазовое равновесие линии эвтектики:
| LE ↔ α M + β N |
Фазовые превращения в системах с ограниченной растворимостью эвтектического типа
Рассмотрим процесс кристаллизации некоторых расплавов данной системы и соответствующие им кривые охлаждения (рис. 4. 4а, б).
Расплав 1 начинает кристаллизоваться, когда температура опустится до точки k на ветви ликвидус ТАЕ. Начинается превращение L→ α ( Ф=2, С=1 ). Появляются первые кристаллы твердого раствора α , состав которых находим по конноде на пересечении с кривой солидус в точке b. На кривой охлаждения при этой температуре появляется излом. В дальнейшем температура понижается более медленно, т. к. продолжается кристаллизация твердого раствора α и выделяется теплота плавления. Состав твердого раствора определяется по кривой солидус bM , а состав насыщенного жидкого раствора по линии ликвидус kE.
При достижении эвтектической температуры ТЕ, жидкость становится эвтектической LE, ее состав отвечает точке Е. Данный расплав кристаллизуется при постоянной температуре с выделением кристаллов твердых растворов α M (точка М )и β N . (точка N ) одновременно ( Ф=3 и С=0 ):
| LE → α M + β N |
На кривой охлаждения для нонвариантного перехода появляется горизонтальный участок, который по длине пропорционален количеству кристаллизующейся жидкой эвтектики.
Кристаллизация заканчивается при ТЕ, когда исчезают последние капли жидкой эвтектики и остается механическая смесь кристаллов α M + β N.
|
|
|
Далее происходит охлаждение механической двухфазной смеси кристаллов твердых растворов ( Ф=2, С=1 ). На кривой охлаждения - плавное уменьшение температуры. Понижение температуры приводит к уменьшению растворимости компонентов А и В в соответствующих твердых растворах. Состав кристаллов в двухфазной области ( α ↔ β ) изменяется по линиям ограниченной растворимости MF и ND .
Для определения состава и количества равновесных кристаллов достаточно провести конноду в этой области. Например, концы конноды fd в точках пересечения с линиями растворимости, указывают составы сосуществующих в равновесии фаз. Точка f показывает состав насыщенного твердого раствора α, а точка d - состав равновесного с ним твердого раствора β . Правило рычага позволит оценить количество этих фаз.
Расплав 2 имеет исходный эвтектический состав LE (точка Е )и в этой системе он кристаллизуется при самой низкой и постоянной температуре ТЕ . Из однофазной система сразу переходит в трехфазную: LE → α M + β N , а после исчезновения жидкости остается двухфазной механической смесью α M + β N .
Понижение температуры приводит к уменьшению растворимости компонентов А и В в соответствующих твердых растворах. Состав кристаллов в двухфазной области ( α ↔ β ) изменяется по линиям ограниченной растворимости MF и ND .
На кривой охлаждения сплава 2 горизонтальный участок соответствует трехфазному нонвариантному превращению и имеет наибольшую длину, т. к. в этой системе максимальное количество эвтектической жидкости.
Расплав 3 минует эвтектическую горизонталь при кристаллизации.
При температуре отвечающей точке h, лежащей на ветви ликвидуса ТВЕ начинается фазовое превращение: L→ β . Выпадают кристаллы твердого раствора β, состав которых определяется точкой р на кривой солидус ТВN (коннода hp ). Система становится двухфазной ( Ф=2 и С=1 ): понижение температуры сопровождается изменением состава равновесных фаз. Состав жидкости изменяется по кривой ликвидус ТВЕ на участке ht, состав твердых кристаллов β - по линии солидус ТВN (участок pq ).
|
|
|
Процесс кристаллизации этого сплава заканчивается при температуре, отвечающей точке q : исчезает расплав, отвечающий точке t . Далее происходит охлаждение твердого однофазного раствора β ( Ф=1, С=2 ), до тех пор пока он не становится насыщенным.
При температуре, отвечающей точке d, которая находится на линии ограниченной растворимости, твердый раствор β становится насыщенным компонентом А и из него выделяется вторая фаза кристаллов α . Состав этих кристаллов определяется точкой f конноды df . Далее при понижении температуры система 3 остается двухфазной ( Ф=2, С=1 ). Состав кристаллов твердых растворов в двухфазной области ( α ↔ β ) изменяется по линиям ограниченной растворимости MF и ND .
Кривая охлаждения сплава 3 имеет два изгиба, соответствующих точкам h и q - это температурный интервал кристаллизации. Изгиб, отвечающий точке d, соответствует появлению вторичных кристаллов.
|
|
|
