Диаграмма состояния для сплавов, образующих механические смеси из чистых компонентов (1 рода)

Оба компонента в жидком состоянии неограниченно растворимы, а в твердом состоянии нерастворимы и не образуют химических соединений.

Компоненты: вещества АиВ (k = 2 ).

Фазы: жидкость L, кристаллы А и кристаллы В (максимальное значение, f = 3).

Общий вид диаграммы состояния показан на рис. 2. Линяя АСВ является линией ликвидус (начало кристаллизации), линия DCE - линией солидус (конец кристаллиза­ции).

На линии АС начинают (при охлаждении) выделяться кристал­лы А, а на линии СВ —- кристаллы В. На линии DCE из жидкости кон­центрации С одновременно выде­ляются кристаллы А и В.

Если взять какой-нибудь сплав, например сплав I, то кривая охлаждения для него будет иметь вид, показанный на рис. 3. На этой кривой участок 0 -1 соответ­ствует охлаждению жидкого сплава, участок 1—2 — выделению криcталлов А, участок 2 — 2' — совмест­ному выделению кристаллов А и В и участок 2 — 3 — охлаждению твердого тела. На рис. 3 схематически показано строение сплава в разные моменты кристаллизации. Из жидкости (левый рисунок) вы­деляются кристаллы А, затем оставшаяся жидкость кристаллизуется с одновременным выделением кристаллов А и В. Правый крайний рисунок показывает структуру уже закристаллизовавшегося металла; видны первичные выделения кристаллов А и механическая смесь кристаллов А + В, которые кристаллизовались одновременно.

Механическая смесь двух (или более) видов кристаллов, одновре­менно кристаллизовавшихся из жидкости, называется эвтектикой (т.е. легко плавящаяся).

Кривая охлаждения сплава эвтектической концентрации показана на рис. 3, б. На кривой охлаждения отрезок 0—2 соответствует охлаждению жидкого сплава, отрезок 2—2' — кристаллизации эвтектики и 2'—3 — охлаждению закристаллизовавшегося сплава.

Кривая охлаждения заэвтектического сплава (сплав I можно на­звать доэвтектическим, сплав II—эвтектическим и сплав III— заэвтектическим) изображена на рис. 3, в. На кривой охлаждения отрезок 0—1 соответствует охлаждению жидкости, отрезок 1 — 2 — выделению кристаллов В, 2—2' — кристаллизации эвтектики и 2'—3 —охлаждению закристаллизовавшегося сплава.

Отдельные моменты охлаждения сплава показаны на схемах структур на том же рисунке. В отличие от кристаллов А, которые на рис. 3, а изображались белыми, кристаллы В на рис. 3, в — черные.

На рис. 4 приведены микроструктуры реальных сплавов системы РЬ-Sb.

На диаграмме состояний (см. рис. 2) показаны области существо­вания различных, фаз. Ниже эвтектической горизонтали DСЕ на­ходятся две фазы — кристаллы А и В. Левее эвтектической концен­трации из жидкости выделяются вначале кристаллы А, а затем эвтек­тика. Поэтому структурное состояние доэвтектического сплава можно обозначить через А + эвтектика (А + В) и заэвтектического — В + эвтектика (А + В), хотя и в том и в другом случае в сплаве две фазы: А и В.

Правило отрезков

В процессе кристаллизации изменяются и концентрация фаз (по­этому состав жидкости изменяется), и количество каждой фазы (при кристаллизации количество твердой фазы увеличивается, а жидкой уменьшается). В любой точке диаграммы, когда в сплаве одновре­менно существуют две фазы, можно определить количество обеих фаз и их концентрацию. Для этого служит так называемое правило рычага, или правило отрезков.

В точке а, показывающей состояние сплава К. при температуре t₁ (рис. 5), сплав состоит из кристаллов В и жидкости. Выше точки l сплав находится в однофазном состоянии, и концентрация компо­нентов в этой фазе (т.е. в жидкости) определялась проекцией точки l. При охлаждении из сплава выделяются кристаллы В и состав жид­кости изменяется в сторону увеличения в ней компонента А. При температуре t₁ концентрация компонента В в жидкости определяется проекцией точки b; это максимальное количество компонента В, которое может содержать жидкость при t₁. По достижении эвтекти­ческой температуры жидкость принимает эвтектическую концен­трацию. Следовательно, при охлаждении сплава К концентрация жидкости меняется по кривой lC. Выделяющиеся кристаллы В имеют постоянный состав — это чистый компонент В, концентрация которого лежит на вертикальной оси ВВ.

Первое положение правила отрезков формулируется следующим образом. Чтобы определить концентрации компонентов в фазах, через данную точку, ха­рактеризующую состояние сплава, прово­дят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими данную об­ласть; проекции точек пересечения на ось концентраций показывают составы фаз.

Следовательно, для сплава К при температуре t₁ составы обеих фаз определятся проекциями точек b и с, так как эти точки находятся на пересечении горизонтальной ли­нии проходящей через точку а, с линиями диаграммы.

Количество этих фаз также можно определить. Для определения количества каждой фазы (второе положе­ние правила отрезков) предположим, что сплав К находится при темпе­ратуре t₁.

Если масса сплава равна единице и изображается отрезком bc, то масса кри­сталлов в точке а у сплава К равна отношению аb/bс.

Количество жидкости определяется отношением ac/bc.

Отношение количества твердой и жидкой фаз определяется отношением ba/ac.

Если точка а определяет состояние сплава, точка b — состав жидкой фазы, а точка с — состав твердой фазы, то отрезок bс опреде­ляет все количество сплава, отрезок ас — количество жидкости и отрезок ba — количество кристаллов.

Второе положение правила отрезков формулируется так. Для того чтобы определить количествен­ное соотношение фаз, через заданную точку проводят горизонтальную линию. Отрезки этой линии между заданной точкой и точ­ками, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз.

Правило отрезков в двойных диаграммах состояния можно при­менить только в двухфазных областях. В однофазной области имеется лишь одна фаза; любая точка внутри области характеризует ее кон­центрацию.