Диаграмма состояния для сплавов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии (II рода)

Оба компонента неограниченно растворимы в жидком и твердом состояниях и не образуют химических соединений.

Компоненты: А, В.

Фазы: L, α.

Если два компонента неограниченно растворяются в жидком и твердом состояниях, то возможно существование только двух фаз — жидкого раствора L и твердого раствора а. Следовательно, трех фаз быть не может, кристаллизация при постоянной температуре не наблюдается и горизонтальной линии на диаграмме нет.

Диаграмма, изображенная на рис. 6, состоит из трех областей:

жидкость, жидкость + твердый раствор и твердый раствор.

Линия АтВ является линией ликвидус, а линия АпВ — линией солидус. Процесс кристаллизации изображается кривой охлаждения сплава (рис. 6).

Точка 1 соответствует началу кристаллизации, точка 2 — концу. Между точками 1 и 2 (т. е. между линиями ликвидус и солидус) сплав находится в двухфазном состоянии. При двух компонентах и двух фазах система моновариантна (с = k - f + 1 = 2 - 2 + 1 = 1), т. е. если изменяется температура, то изменяется и концентрация компонентов в фазах; каждой температуре соответствуют строго определенные составы фаз. Концентрация и количество фаз у сплава, лежащего между линиями солидус и ликвидус, определяются прави­лом отрезков. Так, сплав К в точке а состоит из жидкой и твердой фаз. Состав жидкой фазы определится проекцией точки b, лежащей на линии ликвидус, а состав твердой фазы — проекцией точки с, лежащей на линии солидус. Количество жидкой и твердой фаз опреде­ляется из следующих соотношений: количество жидкой фазы ас/bс, количество твердой фазы ba/bc.

Обратим внимание, что во всем интервале кристаллизации (от точки 1 до точки 2) из жидкого сплава, имеющего исходную концен­трацию К, выделяются кристаллы, более богатые тугоплавким ком­понентом. Состав первых кристаллов определится проекцией s. За­кончиться кристаллизация сплава К должна в точке 2, когда послед­няя капля жидкости, имеющая состав l, затвердеет. Отрезок, показы­вающий количество твердой фазы, равнялся нулю в точке 1, когда только началась кристаллизация, и количеству всего сплава в точке 2, когда кристаллизация закончилась. Состав жидкости изменяется по кривой 1 — l, а состав кристаллов — по кривой s — 2, и в момент окончания кристаллизации состав кристаллов такой же, как и состав исходной жидкости.

	Рис.6. Диаграмма состояния (неограниченная растворимость в твердом состоянии) и кривая охлаждения.

 

Диаграмма состояния для сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состоянии (III рода)

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

Компоненты: А, В.

Фазы: L, α, β.

В сплавах такого рода возможно существование: жидкой фазы, твердого раствора компонента В в А, который мы будем называть α - раствором, и твердого раствора компонента А в В, который обозна­чим через β. В этих сплавах возможно нонвариантное равновесие при одновременном сосуществовании трех фаз: L, α, β. В зависимо­сти от того, какая реакция протекает в условиях существования трех фаз, могут быть два вида диаграмм: диаграмма с эвтектикой и диаграмма с перитектикой.

 

Диаграмма с эвтектикой

В этой системе не образуются фазы, представляющие собой чистые компоненты. Из жидкости могут выделяться только твердые рас­творы α или β. Следовательно, около вертикалей А и В (рис. 7), соответ­ствующих чистым компонентам, на­ходятся области существования твердых растворов α или β. Предель­ная растворимость компонента В в А определяется линией DF, а пре­дельная растворимость А в В— линией CG.

Рис.7. Диаграмма состояния с эвтектикой

 

 

Сплавы, находящиеся между этими двумя линиями, находятся за пределами растворимости и яв­ляются двухфазными, состоящими из α + β. Окончание кристаллизации происходит по эвтектиче­ской реакции

L → α + β.

Линия АЕВ является на этой диаграмме линией ликвидус, линия ADCB — линией солидус. Зная правило фаз и правило отрезков, можно проследить за процессом кристаллизации любого сплава.

Кристаллизация сплава I. Выше точки 1 сплав находится в жидком состоянии. В точке 1 начинается процесс кри­сталлизации. Выделяются кристаллы твердого раствора α, концен­трация которого изменяется по кривой а — 2, а состав жидкости изменяется по кривой 1 — b. В точке 2 кристаллизация закончится, и полученные кристаллы твердого раствора должны иметь (для рав­новесной кристаллизации) концентрацию исходной жидкости. Эти кристаллы не претерпевают изменений до точки 3, лежащей на линии предельной растворимости. Ниже этой точки твердый раствор α является пересыщенным и выделяет избыточные кристаллы. Такими кристаллами являются кристаллы β-твердого раствора, что опреде­ляют, применяя правило рычага для сплава, лежащего внутри двух­фазной области α + β (т. е. для сплава ниже линии DF).

Состав твердого раствора а изменяется по кривой 3 — F, вслед­ствие выделения кристаллов β концентрации G. Количество кристал­лов β при охлаждении увеличивается. Количество кристаллов β, вы­делившихся из сплава I, характеризуется отрезком от вертикали I до линии 3 — F.

Кривая охлаждения и схемы структур этого сплава при различных температурах показаны на рис. 8.

Рис.8. Кривые охлаждения и схемы структур: а- сплава, образующего при кристаллизации твердый раствор с последующим выделением вторичной фазы, б- доэвтектический сплав.

Кристаллы β, выделившиеся из твердого раствора, называются вторичными кристаллами и часто обозначаются символом β_II в от­личие от первичных β-кристаллов (β_I), выделяющихся из жидкости.

 

Процесс выделения вторичных кристаллов из твердой фазы носит

название вторичной кристаллизации в отличие от процесса первичной кристаллизации, когда кристаллы (первичные) образуются в жидкой

фазе.

Нужно отметить, что сплав, концентрация которого лежит левее точки F, не будет иметь вторичных выделений β-кристаллов.

Так как линия CG в отличие от линии FD изображена на рис. 7 вертикальной, т.е. растворимость компонента А в В не зависит от температуры, то вторичных выделений α-кристаллов нет, но они были бы, если бы линия CG была наклонена вправо, т. е. раствори­мость уменьшалась бы с понижением температуры.

Точка D для твердого раствора α показывает максимальную растворимость компонента В в компоненте А при наиболее благоприят­ных условиях.

Кристаллизация сплава II. При кристаллизации этого сплава, в отличие от предыдущего, при достижении горизон­тальной линии DEC наступает нонвариантная реакция. В равнове­сии находятся три фазы — жидкость Е, α-кристаллы состава точки D и β-кристаллы состава точки С. Введем условную запись: индекс возле символа, обозначающего фазу, показывает состав фазы. На­пример, α_D означает твердый раствор α состава точки D. По дости­жении температуры, соответствующей горизонтали DEC, наступает эвтектическая реакция — из жид­кости выделяются кристаллы обоих твердых растворов:

L_E → α_D + β_C.

Рис.9. диаграмма состояния с перетектикой

 

Реакция эта нонвариантна, так как при двух компонентах в реакции участвуют три фазы (с = k – f + 1 = 2 — 3 + 1 = 0).

Все три фазы, участвующие в реакции, имеют определенные со­ставы (проекции точек Е, D и С) и температура их превращения по­стоянна.

В результате кристаллизации сплава II, кроме первичных (выде­лившихся при охлаждении от точки 1 до точки 2) кристаллов α об­разуется еще эвтектика α + β.

При дальнейшем охлаждении вследствие изменения растворимости α -кристаллы выделяют вторичные кристаллы β_II и при нормальной температуре α-кристаллы (как первичные, так и входящие в эвтек­тику) будут иметь состав, отвечающий точке F.

Кривая охлаждения сплава II и структуры этого сплава показана на рис. 8, б.

Выделение вторичных кристаллов из эвтектических составляю­щих обычно не обнаруживается при микроскопическом исследова­нии, так как вторичные выделения объединяются с такой же (одно­именной) фазой эвтектики.

Несмотря на многообразие структурных составляющих, окон­чательно охлажденный сплав содержит только две фазы α и β, и пра­вило фаз, если его применить ниже линии DE, покажет все количе­ство α- и β-фаз независимо от того, в какой структурной форме они находятся.