Лекция 7
Тема 4.3. Диаграмма состояния системы с бинодальной кривой
Сравнительно часто в системах с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состояниях наблюдается разрыв этой растворимости при низких температурах. На диаграмме состояния такой системы (рис. 5, а) имеется двухфазная область α1 + α2 в сплавах которой в интервале температур tk - t K0MH наблюдается двухфазное равновесие α1 ↔ α2. Здесь α1 и α2 - соответственно граничные растворы на основе компонентов А и В. Составы этих растворов при температурах ниже tk изображаются ветвями kа и kb бинодальной кривой akb. Бинодаль akb часто называют также кривой расслоения.
При температурах выше этой кривой все сплавы представляют собой ненасыщенные твердые растворы на основе одного из компонентов, а ниже этой кривой - состоят из насыщенных один относительно другого α1 и α2-растворов. Эти растворы имеют одинаковые кристаллические решетки (иначе при высоких температурах
Рис.5
между компонентами А и В не могли бы существовать непрерывные α-растворы) и отличаются один от другого только химическим составом.
Кривая kа изображает переменную растворимость компонента В в компоненте А, а кривая kb - соответственно растворимость компонента А в компоненте В в твердом состоянии в интервале температур от tk до комнатной. По аналогии с кривыми ликвидуса и солидуса, изображающими равновесие жидкости и кристаллов Ж ↔, ветви kа и kb бинодали akb являются кривыми равновесия двух твердых растворов α1 - α 2. Индексы 1 и 2 означают, что α1 и α2-растворы имеют разные составы, которые при понижении температуры изменяются по кривым ka и kb. Из диаграммы состояния следует, что взаимная растворимость компонентов А и В в твердом состоянии уменьшается при понижении температуры.
В сплаве k1, отвечающем по составу точке k, при температуре tk составы α1 и α2-растворов, будучи разными при низких температурах, становятся идентичными.
Бинодальная кривая обычно несимметрична. Критическая точка на бинодали сдвинута в сторону более тугоплавкого компонента, имеющего меньшую сжимаемость и более высокий модуль упругости. При заданной температуре растворимость больше в легкоплавком компоненте, у которого больше сжимаемость и меньше модуль упругости.
Фазовые превращении. Кривые охлаждения
Рассмотрим превращения в сплавах при переходе через бинодаль. Очевидно, попадая на эту кривую, α1(или 2)-раствор исходного состава становится насыщенным относительно α2 (или1)-раствора другого состава, и при понижении температуры из одного твердого раствора выделяется другой твердый раствор. Так, в сплавах участка а - k при температурах ниже кривой kа из α1-раствора, богатого компонентом А, выделяется α2-раствор, богатый компонентом В, что можно записать как α1 → α2. Наоборот, в сплавах участка k - b при температурах ниже кривой kb из α2-раствора выделяется α1-раствор или α2 → α 1. Наконец, в сплаве k1, отвечающем по составу критической точке k к, распад α-раствора при понижении температуры ниже tk можно записать как
α 1 ↔ α 2(или α 1(к_а) - α 2(k-b)).
По существу, все три записи аналогичны, так как описывают один и тот же процесс расслоения исходного α 1(или 2)-раствора на области (слои) разного химического состава (α 1 и α 2) или, иными словами, распад исходного α1(к - а)раствора с образованием другого α2{или1)-раствора, в результате чего сплав из однофазного становится двухфазным α1 + α2.
Графическое изображение превращений в одном из сплавов рассматриваемой системы, в частности, сплаве nпоказано на рис. 5, а. В интервале температур t1 - t2 этот сплав закристаллизуется как твердый a-раствор, что можно записать как Ж1-2 → α3-4.При охлаждении от температуры t2 до t3 в сплаве не происходит фазовых превращений. Как только температура сплава понизится до t3 (точка 5 на кривой kа), α 1 -раствор состава точки 5 окажется насыщенным относительно другого α2-раствора, и при дальнейшем понижении температуры пойдет превращение α 1 → α 2. Состав образующегося α2-раствора определится точкой 6 на кривой kb. При понижении температуры от t3 до комнатной состав распадающегося α1-раствора изменится по кривой kа в направлении от точки 5 к точке а, а состав выделяющегося α2-раствора - по кривой k кb в направлении от точки 6 к точке b, т.е. α 1(5-a) → α 2(6-b). Как и при кристаллизации, для протекания превращения α1 → α2 требуется переохлаждение сплава ниже кривой ka.
В интервале температур t3 - tкомн доля исходного α1-раствора в сплаве nуменьшается, а доля образующегося α2-раствора увеличивается, что можно показать с помощью правила рычага. При комнатной температуре доле α1 и α2-растворов (составов точек а и b) определятся отношениями отрезков nb/ab и an/ab,т.е. на долю исходного α (или а1)-раствора останется около 80% от массы всего сплава.
На кривой охлаждения сплава n наблюдаются три критические точки (рис. 5, б): две верхние отвечают температурам ликвидуса и солидуса (t1 и t2), а нижняя (t3) - температуре начала распада α1-раствора.
Распад твердых растворов при понижении температуры в системах с бимодальными кривыми обусловлен усилением взаимодействия одноименных атомов А - А и В - В по сравнению с взаимодействием разноименных атомов А - В, т.е. стремлением атомов одного сорта окружить себя атомами того же сорта