§ 134. Сплавы. Диаграммы плавкости

Сплав представляет собой смесь двух или нескольких веществ, например металлов. Сплав, значит, также представляет собой раствор одного вещества в другом.

Процессы плавления и кристаллизации сплавов удобно изображать на диаграммах состояния (иногда их называют также диаграммами плавкости). Если состояние однокомпонентных веществ мы описывали раньше двумя параметрами, например давлением и температурой (третий параметр однозначно определяется этими двумя), то в случае двухкомпонёнтного сплава (а только такие сплавы здесь и рассматриваются) необходимо задать еще и третий параметр, например концентрацию. Значит состояния, отвечающие равновесию каких-либо двух фаз, графически изображаются не линией, а поверхностью. Однако мы будем пользоваться двухмерной диаграммой тёмпература — концентрация, полагая давление постоянным. Диаграмма эта является, следовательно, сечением трехмерной поверхности плоскостью

Итак, пусть жидкий сплав, содержащий два компонента (бинарный сплав), охлаждается, и при некоторой температуре начинается его кристаллизация, которая может протекать различным образом. Рассмотрим здесь только да простейших случая. Во-первых, образующиеся кристаллы могут содержать каждый только один из компонентов, так что отвердевший сплав состоит из кристалликов обеих составных частей сплава, а не является смесью атомов в одной решетке.

Во-вторых, образующиеся при отвердевании кристаллы могут состоять из атомов обоих компонентов, на равных правах располагающихся в узлах общей для них кристаллической решетки. В этом последнем случае говорят, что образуется твердый раствор.

Рис. 187.

Рассмотрим сначала диаграмму состояния для систем первого типа. Простейший тип такой диаграммы представлен на рис. 187. Диаграмма показывает зависимость температуры плавления от состава сплава, состоящего из двух компонентов По оси абсцисс слева и справа отложены концентрации обоих компонентов, причем концентрация компонента А возрастает справа налево, так что точка А соответствует чистому веществу А (концентрация концентрация же компонента В растет слева направо, и точка В соответствует чистому веществу В.

По оси ординат отложены температуры плавления сплавов. Точки представляют соответственно температуры плавления чистых компонентов

Из того, что было сказано выше о температуре кристаллизации растворов, следует, что она должна понижаться по мере роста как

концентрации А, так и концентрации В. Такой именно ход температуры отвердевания и наблюдается на опыте, как это и показано на рис. 187. Начиная от точки температура плавления компонента А понижается по мере роста концентрации компонента В. Точно так же температура кристаллизации вещества В понижается с ростом концентрации примеси А.

В некоторой точке обе кривые плавления поэтому сходятся. Эта точка С дает ту наинизшую температуру плавления (кристаллизации), которой может обладать сплав данной системы, и концентрацию компонентов этого сплава наинизшей температурой плавления. Сплав такого состава называется эвтектическим. Точка С называется эвтектической точкой.

Если охлаждать сплав, концентрация которого соответствует некоторой точке К слева от эвтектического состава, то, - когда температура достигнет точки компонент А начнет кристаллизоваться и выпадать из раствора в виде кристаллов в жидком расплаве. При этом концентрация В в оставшемся сплаве возрастает, а это вызывает дальнейшее понижение температуры отвердевания. Так, по мере понижения температуры, все время изменяется состав расплава, пока в точке С он весь не отвердеет, образуя однородную механическую смесь кристалликов обоих компонентов, характерную для эвтектики.

Точно так же при охлаждении сплава, концентрация которого соответствует точке (справа от эвтектики), после того, как температура понизится до точки начнут выпадать кристаллы компонента В, что вызовет дальнейшее понижение температуры плавления вследствие роста концентрации А. Полностью сплав отвердеет при температуре и концентрации, соответствующих эвтектической точке С.

Если охлаждать жидкий сплав эвтектической концентрации при температуре, соответствующей точке С, он сразу весь отвердеет. 4 Излишне упоминать здесь, что при нагревании твердого сплава процесс идет в порядке, обратном только что описанному.

Область температур и концентраций, лежащая выше линии является областью жидкой фазы. Область между этой кривой и горизонтальной линией, проходящей через эвтектическую точку (линия на рис. 187), представляет собой область, в которой кристаллы компонентов А или В находятся в жидком расплаве. Наконец, область ниже линии это область твердого состояния, причем в левой ее части кристаллы А вкраплены в эвтектику, а в правой в эвтектику вкраплены кристаллы компонента В.

Характерным свойством сплавов является, таким образом, то, что их отвердевание происходит не при одной определенной температуре, как у однокомпонентных веществ, а в некотором температурном интервале. Отвердевание начинается на линий (ее часто называют линией ликвидуса) и заканчивается на линии

горизонтальной прямой, проходящей через эвтектическую точку С (эта линия называется линией солидуса). Только сплав эвтектического состава затвердевает сразу при температуре, соответствующей точке С.

Примером бинарной системы с диаграммой состояния вида, изображенного на рис. 187, может служить система олово — цинк. Олово плавится при цинк — при температура плавления эвтектики (8% цинка) равна 199 °С.

Для сплавов второй группы, т. е. для сплавов, образующих твердые растворы, диаграмма состояния имеет несколько иной вид. Типичная диаграмма такого вида показана на рис. 188. Здесь опять по осям координат отложены концентрации компонентов и температура плавления. Область, расположенная выше «сигарообразной» кривой есть область жидкого состояния сплава, а область ниже ее твердого. Кривая представляет собой зависимость температуры отвердевания жидкого сплава от его состава (линия ликвидуса). Нижняя кривая дает зависимость температуры плавления твердого сплава от концентрации. Следовательно, при одном и том же составе сплава его температура плавления отличается от температуры отвердевания, твердый сплав плавится при одной температуре, а жидкий твердеет при другой. Наоборот, при одной и той же температуре кристаллизуется жидкость одного состава и плавится твердый сплав другого состава.

Рис. 188.

Здесь опять отвердевание и плавление происходят не при одной определенной температуре, а в некотором интервале температур. Так, если охлаждать жидкий сплав состава, изображенного точкой К, то по достижении температуры, соответствующей точке К, начнут выпадать кристаллы, состав которых, однако, задается не точкой К, а точкой Они, значит, будут содержать больше компонента В, чем жидкий сплав. Поэтому жидкость будет обогащаться компонентом А и температура отвердевания будет понижаться вдоль кривой

Область, заключенная внутри «сигарообразной» кривой, состоит, таким образом, из жидкого сплава и кристаллов твердого раствора.

В некоторых случаях диаграммы состояния сплавов имеют вид, показанный на рис. 189. «Сигара» здесь оказывается «помятой», так что кривые солидуса и ликвидуса имеют минимум и в точке минимума обе кривые касаются друг друга. Сплав состава,

соответствующего точке касания, твердеет и плавится сразу при определенной температуре, как это происходит с эвтектикой в сплавах первого типа.

Экспериментально диаграммы состояний (плавкости) строятся на основании так. называемого термического анализа, заключающегося в снятии кривых охлаждения и нагревания смесей исследуемых компонентов различных составов. Из таких измерений получают данные о температурах начала и конца кристаллизации, на основании которых и строятся описанные выше графики (см. ниже).

Рис. 189.

Для подробного анализа особенностей систем и взаимодействия их компонентов между собой строят, кроме того, так называемые диаграммы свойство — состав, т. е. кривые зависимости величины, характеризующей какое-либо свойство системы (твердость, электрическое сопротивление, вязкость и т. д.), от ее состава при постоянной температуре. Такие диаграммы вместе с диаграммами состояния служат основой для так называемого физико-химического анализа двойных и более сложных систем, разработанного Н. С. Курнаковым.