Диаграмма состояния для сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твёрдом состоянии и правило отрезков.

⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 13Следующая ⇒

Рассмотрим сплавы, компоненты которых неограниченно растворяются друг в друге и в жидком и в твердом состоянии. Например, Cu-Ni, Au-Ag и т.п. Таким сплавам соответствует следующий тип диаграмм состояния:

Здесь буквой Ж обозначена жидкая фаза, а буквой a - неограниченный твердый раствор А в В или В в А, что в данном случае одно и тоже (a= А(В) º В(А)). Линию L называют линией ликвидус. Она отражает температуры начала процесса кристаллизации. Выше этой линии сплав любого состава находится только в жидком состоянии. Линия S является линией солидус. Эта линия отражает температуры завершения процесса кристаллизации. Ниже её все сплавы находятся только в твёрдом состоянии. Точка А соответствует температуре кристаллизации (плавления) чистого компонента А, а точка В - температуре кристаллизации (плавления) чистого компонента В. Между линиями ликвидус и солидус все сплавы находятся в двухфазном состоянии (Ж + a). Как видно из диаграммы, сплавы любой концентрации, в отличие от чистых компонентов, кристаллизуются в некотором интервале температур.

Рассмотрим процесс затвердевания сплава произвольной концентрации К₁. Выше точки 1 этот сплав находится в жидком однофазном состоянии. При температуре, соответствующей точке 1, в жидком расплаве появляются зародыши кристаллов твердой a-фазы. По мере уменьшения температуры от точки 1 до точки 2 доля кристаллов a-фазы нарастает, а количество жидкой фазы уменьшается. В точке 2 процесс кристаллизации полностью завершается и ниже этой точки, вплоть до комнатной температуры, сплав состоит только из зёрен твердой a-фазы.

Кривая охлаждения для данного сплава выглядит следующим образом:

Как видно из графика, на участке 1-2, который соответствует процессу кристаллизации, скорость охлаждения сплава уменьшается. Это обусловлено выделением скрытой теплоты кристаллизации при переходе сплава из жидкого состояния в твёрдое.

После завершения процесса кристаллизации скорость охлаждения сплава восстанавливается.

В процессе кристаллизации изменяется не только количество жидкой и твёрдой фаз, но и химический состав этих фаз. Определить относительное количество и химический состав обеих фаз при любой температуре в интервале кристаллизации можно с помощью правила отрезков.

Правило отрезков

Правило отрезков позволяет в любой точке двухфазовой области диаграммы состояния определять относительное количество и химический состав обеих фаз. Для этого необходимо через выбранную точку провести горизонтальную линию, соответствующую выбранной температуре. Так через точку b на рассматриваемой диаграмме состояния проходит линия, соответствующая температуре Т₁. Эта линия пересекает линии, ограничивающие двухфазную область диаграммы состояния, в точках а и с. В данном случае отношение отрезка bс к ас будет равно доле жидкой фазы, а отношение отрезка аb к ас - доле твёрдой фазы. Как видно из диаграммы, с уменьшением температуры от точки 1 до точки 2, отрезок bс сокращается. Это соответствует уменьшению относительного количества жидкой фазы. Отрезок аb, напротив, увеличивается, что соответствует увеличению доли твёрдой фазы.

Химический состав жидкой фазы определяется проекцией точки а на ось (шкалу) концентраций, а состав твёрдой фазы - проекцией точки с на эту же ось. Как видно из диаграммы в начальный момент кристаллизации, т.е. в точке 1, состав жидкой фазы близок к К₁, а состав твёрдой фазы определяется проекцией точки s. В конечный момент кристаллизации, т.е. в точке 2, состав жидкой фазы определяется проекцией точки f, а состав твёрдой фазы стремится к К₁. Таким образом, в процессе кристаллизации состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус (участок 1-f), а твёрдой фазы - по линии солидус (участок s-2). Общее же содержание компонентов в сплаве при любой температуре остается неизменным и равным К₁, просто в процессе кристаллизации происходит перераспределение компонентов между жидкой и твёрдой фазами.

В начальный момент затвердевания выпадают кристаллы богатые более тугоплавким компонентом В. По мере уменьшения температуры, доля этих кристаллов нарастает, а концентрация тугоплавкого компонента в них уменьшается. Жидкость, при этом, обогащается более легкоплавким компонентом А. Изменение химического состава твёрдой фазы, в процессе кристаллизации, происходит за счёт того, что более легкоплавкий компонент А из жидкой фазы поступает в твёрдую фазу и растворяется в ней. Если кристаллизация идёт достаточно быстро, то процесс диффузионного перераспределения компонентов не успевает завершиться и тогда наблюдается неоднородность зёрен по химическому составу. Центр зёрен оказывается обогащенным более тугоплавким компонентом В, а границы зёрен - более легкоплавким компонентом А. Неоднородность зёрен по химическому составу называют микроликвацией.

Если процесс кристаллизации идёт достаточно медленно, то есть если этот процесс является равновесным, то зёрна успевают выровняться по химическому составу. В таком случае формируется однородный сплав, каждая точка которого имеет одинаковый химический состав, равный К₁.

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 7 8 9 10 Следующая ⇒