3.2. Основные равновесные диаграммы состояния двойных сплавов

Рассмотрим типовые примеры диаграмм состояния двойных систем, обращая особое внимание на фазовые превращения в твердом состоянии.

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых полностью растворимы в жидком и твердом состояниях.

Полная взаимная растворимость в твердом состоянии возможна тогда, когда оба компонента имеют одинаковые кристаллические решетки и атомные диаметры компонентов мало отличаются по размерам. Такая диаграмма (рис. 3.4) имеет простой вид и состоит из двух линий - ликвидус и солидус, пересекающихся между собой в точках кристаллизации чистых компонентов А и В. Все сплавы затвердевают в некотором интервале температур Диаграммы такого типа имеют системы и др.

Рис. 3.4. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых полностью растворимы в жидком и твердом состояниях

Рассмотрим затвердевание одного из сплавов этой системы состава рис. 3.4). Жидкий раствор при температуре начинает кристаллизоваться. Можно предполагать, что состав выпадающих кристаллов должен быть того же состава, как жидкость. Однако из жидкого раствора состава при температуре начинают выпадать кристаллы, сильно обогащенные более тугоплавким компонентом В. При дальнейшем охлаждении до температуры в равновесии с жидкостью состава обогащенной компонентом А, будут находиться кристаллы твердого раствора состава При медленном охлаждении, а это необходимое условие для получения равновесных состояний, компонент А из жидкости диффундирует в кристаллы состава и они изменяют состав до . К концу затвердевания при температуре все кристаллы будут иметь одинаковый состав

На диаграмме утолщенными линиями показано, как изменяется состав жидкого и твердого растворов в процессе кристаллизации от температуры до . В процессе кристаллизации изменяется не только состав фаз, но и количественное соотношение жидкой и твердой фаз.

После окончания кристаллизации должна наблюдаться однофазная структура.

Если процесс кристаллизации протекает в условиях ускоренного охлаждения, что обычно имеет место при получении литых деталей и слитков, то диффузионное выравнивание состава у кристаллов, выпавших при температурах выше не успевает происходить, в результате чего получается неодинаковый состав не только у отдельных кристаллов, а в каждом из них. Внутренние участки кристалла будут более богаты тугоплавким компонентом В, а наружные компонентом А. Это явление неоднородности химического состава носит название микроликвации. Первые кристаллы поверхности слитка будут обогащены компонентом В, а последние, образовавшиеся в середине слитка, - компонентом А. В результате этого возникает макроликвация в слитке.

Ликвация чаще всего играет отрицательную роль и особенно в тех случаях, когда вредные примеси распределяются неравномерно. Повышенное содержание вредных примесей может привести к преждевременному разрушению деталей.

Имея диаграмму состояния, можно проследить за фазовыми превращениями любого сплава и указать состав и количественное соотношение фаз при любой температуре. Это осуществляется при помощи двух простых правил.

Ранее указывалось, что химический состав выделяющихся кристаллов по мере снижения температуры изменяется по линии солидус от до (см. рис. 3.4). В это же время состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус от до Это дает основание сформулировать правило определения состава фаз (правило концентраций). Для определения концентрации компонентов в двух фазах через данную точку (см. рис. 3.4), характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию (коноду) до пересечения с линиями, ограничивающими данную область; проекции точек пересечения (а и b) на горизонтальную ось диаграммы покажут составы фаз .

Правило определения количественного соотношения фаз (правило отрезков). Через данную точку с проводят горизонтальную линию. Отрезки этой линии (коноды) между точкой с и точками определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз:

Эти правила справедливы для любой двухфазной области диаграммы состояния и не имеют смысла в однофазной области. Используя эти два правила и привлекая еще дополнительно

правило фаз, можно «прочитать» любую сложную диаграмму, состоящую из большого числа ветвей и областей.