«Диаграммы двойных сплавов с полной растворимостью компонентов в твердом состоянии»

Диаграммы состояния металлических сплавов представляют обобщенные результаты изучения хода затвердевания и структурно-фазовых превращений в выбранных системах. Эти диаграммы позволяют определить температуры начала и конца затвердевания сплавов, их структуру для различных температур и превращения, которые сплавы претерпевают при охлаждении и нагревании.

При построении диаграмм состояния сплавов по оси абсцисс откладывают концентрацию каждого компонента (от 0 до 100%), по оси ординат – температуру. Каждому составу сплава при определенной температуре отвечает определенная одна точка на диаграмме. Наука о структуре металлов и сплавов называется металлографией. Для исследования структуры металлов и сплавов применяют металломикроскопы и рентгеновские аппараты.

Диаграммы состояния сплавов строят на основании их изучения методами термического, микроскопического, рентгеноструктурного, электросопротивления, магнитного и других анализов.

          При термическом, анализе определяют температуру начала и конца затвердевания сплавов при переходе их из жидкого состояния в твердое, а также температуру всех превращений, происходящих в сплаве в твердом состоянии. Для термического анализа приготовляют ряд сплавов с постепенно изменяющимся содержанием одного из компонентов сплава (например, 10, 20, 30, 40% и т. д.). Серию таких сплавов нагревают и расплавляют, а затем медленно и равномерно охлаждают. При помощи термопары через определенные промежутки времени отмечают температуру сплава. На основании полученных данных строят  серию  кривых охлаждения и нагревания в координатах температура – время, характерные точки которых переносят на диаграмму состояния.

Рис. 1. - Диаграмма   состояния   Pb – Sb и микроструктуры   свинцовосурьмянистых    сплавов:

ж. с. – жидкий сплав, э – эвтектика

Второй тип диаграммы состояния, в котором компоненты неограниченно взаимно растворимы в жидком и в твердом состоянии, образуют однородные твердые растворы.

По этому типу диаграмм затвердевают сплавы Си – Ni; Co – Ni;  Fe – Ni и др. В указанных системах образуются однородные твердые  растворы, так как составляющие их компоненты имеют одинаковый  тип кристаллических решеток при разнице в атомных размерах не  более 8%.

В качестве примера второго рода диаграмм состояния  система Си – Ni. По внешнему виду эта диаграмма напоминает чечевицу, верхняя часть которой ограничена линией ликвидуса (линия 1РВК'2), а нижняя – линией солидуса (линия 1К'тп2)  (см.рис.2).

Рис.2 - Диаграмма состояния двойных  сплавов с неограниченной  растворимостью   в жидком   состоянии и ограниченной – в твердом

В отличие от системы Рb – Sb затвердевание сплавов Си – Ni начинается с выделения из жидкости кристаллов твердого раствора (Си и Ni). Сплав с 30% Ni (точка К) при 1400° С (точка а) будет жидким. В точке К' из жидкости выпадут кристаллы твердого раствора Nі – Си состава, соответствующего точке n, на диаграмме (73% Ni); при охлаждении сплава от точки K' до точки K" состав остающейся жидкости изменяется от точки K' до точки Р. Последняя капля жидкости содержит всего лишь 7% Ni. Состав кристаллов твердого раствора, выпадающих в ходе затвердевания, изменяется вдоль линии солидуса от точки п до точки K". Последним затвердеет кристаллик состава, соответствующего точке K" (30% Ni).

Таким образом, при затвердевании сплава этой системы наблюдается непрерывное изменение составов жидкой фазы и образующихся кристаллов твердых растворов.

          Первые твердые частицы, которые формируются из центров кристаллизации, и главные оси дендритов (оси первого порядка) в затвердевшем сплаве сильно обогащены тугоплавким компонентом, т.е. Ni; по мере понижения температуры и формирования осей последующего порядка в твердой фазе увеличивается содержание Сu. Остающаяся жидкость обогащается медью, т.е. более легкоплавким компонентом. В результате кристаллизации структура сплава получается неоднородной, так как диффузия не успевает выравнивать состав образующегося твердого раствора.

Нa рис.2 приведена микроструктура чистой меди, на рис.2, г – микроструктура чистого никеля. Микроструктура сплава, содержащая 30% никеля, показана на рис.2, б. Светлые участки представляют твердый раствор, обогащенный никелем, темные – твердый раствор, обогащенный медью. Внутри отдельных зерен элементы распределены неравномерно, такое явление называют внутридендритной ликвацией. Нагрев до температуры, лежащей на 50 – 100°С  ниже линии солидуса, и выдержка при этой температуре выравнивает состав (рис.2, в).