3. Экспериментальное построение диаграмм

Обычно для построения диаграмм состояния пользуются результатами термического анализа, т. е. строят кривые охлаждения и по остановкам и перегибам на этих кривых, вызванным тепловым эффектом превращений, определяют температуры превращения.

Температуру металлов измеряют обычно при помощи термопары. Принцип измерения температуры термопарой см. ниже стр. 470.

Температура кристаллизации определяется следующим образом. В печь 1 (рис. 89) помещают тигелек 2, в котором расплавляют исследуемый сплав 3. Затем в расплав погружают горячий спай 4 термопары 5 (защищенной фарфоровым или кварцевым колпачком 6) и выключают печь. Начинается охлаждение и температуру отмечают через определенные промежутки времени. Появление изменений в агрегатном состоянии в связй с выделением скрытой теплоты превращения отражается на кривой температура — время.

Рис. 89. Схема установки для изучения процесса кристаллизации термическим методом: 1 — печь; 2 — тигель; 3 — расплавленный металл; 4 — горячий спай; 5 — термопара; 6 — колпачок; 7 — холодный спай; 8 — гальванометр

Имея достаточное количество сплавов и определив в каждом сплаве температуры превращений, можно построить диаграмму состояния.

Для более точного построения диаграммы состояния в дополнение к термическому методу изучают с помощью микроскопа и рентгеновских лучей структуру сплавов разного состава и по-разному обработанных термически, измеряют разнообразнейшие физические свойства сплавов и т. д.

Обратимся к реальному примеру. Предположим, что мы имеем систему из двух компонентов, взаимно нерастворимых в твердом состоянии и не образующих друг с другом химических соединений, но неограниченно растворимых в жидком состоянии. Можно принять с некоторым приближением, что такой системой является например, система свинец — сурьма (фактически эти металлы ограниченно растворимы в твердом состоянии). Предположим далее, что имеется серия сплавов этих двух металлов: за процессом кристаллизации этих сплавов наблюдают по кривым охлаждения (рис. 90).

Кривая (рис. 90, а) относится к чистому свинцу. При температуре выше свинец находится в жидком состоянии. При происходит кристаллизация свинца и ниже свинец находится в кристаллическом состоянии.

тельно, на кривой охлаждения свинца отрезок соответствует охлаждению жидкости, отрезок кристаллизации и охлаждению твердого тела.

Кривая на рис. относится к сплаву с и Кристаллизация начинается при температуре ниже (точка и протекает при переменной температуре (от точки 1 до точки 2), а затем при оставшаяся часть жидкости кристаллизуется при постоянной температуре (отрезок на кривой охлаждения На отрезке 1—2, т. е. при переменной температуре, из жидкости выделяются кристаллы свинца. Это согласуется с правилом фаз, так как число степеней в этом случае равняется единице. В данном случае компонентов два, число фаз равняется двум (жидкость и кристаллы свинца) и, следовательно:

Одновременная кристаллизация сурьмы и свинца должна протекать при постоянной температуре (отрезок 2—2), так как в данном случае при этой температуре имеются три фазы (жидкость, кристаллы сурьмы, кристаллы свинца) и число степеней свободы равно нулю

Рис. 90. Кривые охлаждения сплава

Так как на кривой кристаллизации 1—2 из жидкости непрерывно выделяется свинец, то жидкость по мере кристаллизации свинца обогащается сурьмой. Если к моменту начала кристаллизации свинца (в точке 1) жидкость исследуемого сплава содержала то в точке 2 к моменту совместной кристаллизации сурьмы и свинца жидкость, как показывает опыт, содержит

Точка отвечающая началу кристаллизации, называется точкой ликвидус, точка 2, отвечающая концу кристаллизации, — точкой солидус.

У сплава с (см. рис. 90, в) кристаллизация будет происходить так же, как и у сплава с только она начнется при более низкой температуре. Отметим, что совместная кристаллизация свинца и сурьмы у этого сплава начнется при той же температуре, что и у предыдущего сплава, и жидкость к моменту совместной кристаллизации свинца и сурьмы будет иметь такую же концентрацию, как и у предыдущего сплава, когда совместно кристаллизовались свинец и сурьма, т. е.

Если взять сплав, соответствующий этому соотношению, т. е. содержащий то у него из жидкости при одной температуре одновременно выделяется оба вида кристаллов без предварительного выделения свинца (см. кривую рис. Наконец, если взять сплав с содержанием сурьмы более 13%, то предварительно будет выделяться сурьма (см. рис. 90, д), и сплав по мере выделения сурьмы будет обогащаться свинцом; когда он в процессе кристаллизации охладится до то жидкость будет содержать и начнется совместная кристаллизация обоих видов кристаллов при постоянной температуре.

У рассмотренных пяти сплавов точки начала и конца кристаллизации будут находиться при следующих температурах:

Если теперь полученные температуры нанести на диаграмму, где координатами будут температура и концентрация, и затем соединить точки ликвидус одной линией, а точки солидус — другой, то получим диаграмму состояния (рис. 91).

Геометрическое место точек ликвидус образует линию ликвидус, а геометрическое место точек солидус — линию солидус.

Очевидно, выше линии ликвидус сплавы находятся в жидком состоянии, а ниже линии солидус — в твердом. У сплавов, содержащих меньше из жидкости сначала выделяется свинец. Следовательно, у этих сплавов в области, лежащей между линией ликвидус и солидус, имеем жидкую фазу и кристаллы свинца. Аналогично у сплавов с содержанием больше между линией ликвидус и солидус имеем жидкость и кристаллы сурьмы. Таким образом, диаграмма, приведенная на рис. 91, показывает состояние сплава данной системы, т. е. данной пары компонентов при любом их соотношении и при любой температуре. Вот почему такие диаграммы называют диаграммами состояния. По диаграммам состояния изучают природу сплавов, поэтому анализу этих диаграмм уделяют большое внимание при прохождении теоретического металловедения.

Рис. 91. Диаграмма состояния сплавов свинец—сурьма, построенная по кривым охлаждения (см. рис. 90)

Диаграммы состояния позволяют определить, какую структуру будут иметь медленно охлажденные сплавы, а также решить вопрос о том, можно ли добиться изменения микроструктуры в результате термической обработки сплава. Поскольку технологические и эксплуатационные свойства сплавов тесно связаны с их микроструктурой, для практического металловедения очень важно иметь диаграммы состояния.

Вид диаграммы определяется характером взаимодействий, которые возникают между компонентами в жидком и твердом состояниях. Разбор наиболее типичных диаграмм состояния металлических систем приведен в следующих параграфах. Во всех случаях предполагают, что в жидком состоянии существует неограниченная растворимость, т. е. однородная фаза (в дальнейшем будет обозначаться буквой существует при любом соотношении компонентов.

Диаграммы с ограниченной растворимостью или с полным отсутствием растворимости в жидком состоянии рассматриваться не будут, так как сплавы этих систем мало применяют в технике.