Диаграммы состояния двойных сплавов

Диаграмма состояния -графическое изображение состояния сплава в зависимости от температуры и соотношения компонентов. По оси ординат откладывают температуру, а по оси абсцисс - про­цент содержания двух компонентов. По диаграмме состояния можно определись температуру начала и конца плавления сплава, полу­чить сведения о структурных превращениях, их характере, темпе­ратурах, при которых они начинаются и заканчиваются. Эти сведе­ния необходимы при разработке технологии термической обработки деталей из данного сплава.

а) б)

Рисунок 1.13 - Диаграмма состояния сплавов Cu- Ni

Диаграмма состояния типа ''Сигара" характеризует сплавы, компоненты которых неограниченно растворяются как в жидкой, так и в твёрдой фазах. Примерами служат сплавы Si-Ge, Cu-Ni, Bi-Sb, Ag-Au.

Диаграмму состояния строят в два этапа. На первом этапе строят, например, кривые охлаждения для чистого никеля и чис­той меди, а также для сплава с содержанием 50% Ni (рисунок 1.1За). Нагревают каждый металл и сплав до полного расплавления и снимают кривые охлаждения. Гори­зонтальные площадки на кривых охлаждения чистых металлов (при -температуре 1083°С для меди и при 1452°С для никеля) являются температурами их кристаллизации. Для сплава с 50% Ni и Си имеются две критические точки а и b указывающие на затвердева­ние сплава в интервале температур 1452 и 1210°С.

На втором этапе построения диаграммы состояния критические точки с кривых охлаждения переносят в систему координат "тем­пература-концентрация". Соединяя точки температур кристаллизации чис­тых металлов с точкой а, получим кривую АаВ, а с точкой b -кривую АbВ. Выше линии АаВ все сплавы находятся в жидком сос­тоянии. Линию АаВ называют линией ликвидуса (от лат. ликвидус -жидкий). Линию АbВ называют линией солидуса (от лат. слова солидус - твёрдый). Между линиями АаВ и АbВ сплав находится в жид­кой и твердой фазах.

Проследим процесс затвердевания на примере сплава, содержащего 50% Ni выше точки а сплав находится в жидком состоянии. При охлаждении в точке а из жидкого раствора начинают выделяться кристаллы твердого раствора меди в никеле. Причем концентрация этого первоначального твердого раствора отличается от исходной повышенным содержанием компонента с более высокой температурой плавления и может быть примерно определена, если из точки а про­вести горизонталь до пересечения с линией солидуса. Точку пере­сечения спроектировать на ось концентраций и получим 83% Ni в центрах кристаллизации. При дальнейшем охлаждении кристаллы твердого раствора растут, концентрация никеля в жидкой фазе уменьшается. С понижением температуры последние доли жидкого раствора содержат значительно меньше никеля, чем исходный жидкий раствор. Таким образом, внутренние части каждого кристалла со­держат больше тугоплавкого компонента (никеля), чем внешние. Это явление называется внутрикристаллической ликвацией. Она может быть уничтожена отжигом.

Пользуясь диаграммой состояния, по правилу отрезков, можно определить фазовый состав любого сплава при любой температуре. Для этого для данного сплава (например, 50% Ni и 50% Сuрисунок 1.136) для данной температуры(например, 1300 )надо провести горизонтальную прямую, параллельную оси концентраций, и отметить точки пересечения этой прямой с ликвидусом и солидусом т.К и т.S. Отрезок KS называется конодой. Масса жидкой фазы в сплаве будет определяться отношением отрезка LS к KS(b процентах), а масса твердой фазы- отношением отрезка KL к KS.

Диаграмма состояния типа "Эвтектика" характеризует сплавы, компоненты которых в жидкой фазе растворяются неограниченно, а в твердой фазе не растворяются или растворяются ограниченно. Примером диаграмм состояния с нерастворимыми компонентами в твер­дой фазе служат сплавы свинец-сурьма, мышьяк-свинец, олово-германий, олово-кремний, алюминий-олово, цинк-олово; с ограниченным растворением компонентов - железо-углерод, олово-свинец, медь-серебро, мышьяк-германий, сурьма-германий, висмут-олово, висмут-германий, алюминий-кремний, золото-германий, серебро-кремний, серебро-германий.

Рисунок 1.14 - Диаграмма состояния сплавов Bi-Cd

Если взять несколько сплавов Bi-Cd различной концентрации и построить кривые охлаждения, подобие тому как это делалось со сплавами Cu-Ni, то по полученным критическим точкам можно построить диаграмму состояния сплавов Bi-Cd (рисунок 1.14). Выше линии ликвидуса все сплавы находятся в жидком состоянии (линия АВС). Ниже линии солидуса ДВЕ все сплавы находятся в твердом состоя­ний. В точке В при содержании 40% Cd, 60%Bi и при температуре I60°С кристаллизация висмута и кадмия происходит одновременно. При этом образуется тонкая механическая смесь кристаллов висму­та и кадмия. Эта смесь называется эвтектикой (от греч. -эвтекти­ка – легкоплавкий), а сплав соответствующего состава - эвтектическим. Сплавы с содержанием менее 40% кадмия называют доэвтектическими. Они имеют после затвердевания мелкозернистую струк­туру, состоящую из висмута и эвтектики. Сплавы с содержанием более 40% кадмия называют заэвтектическими. После затвердевания они имеют структуру кадмий + эвтектика.

На рисунок 1.15. дана диаграмма состояния сплавов Sn-Pb с ограниченной растворимостью в твердом состоянии олова в свинце и свинца в олове. Линия АВС – ликвидус; выше этой линии находятся жидкие растворы. Линия АДВЕС - солидус, ниже этой линии сплавы находятся в твердом состоянии. Линия ДВЕ показывает, что оба компонента взаимнорастворимы, но в ограниченной доле. Предельная концентрация раствора λ ( олово в свинце ) – 20%, а раствора β(свинца в олове) - 6,6%.

При большей концентрации по линии ДЕ образуется эвтектика растворов λ+β. Точки Д и E - точки предельной растворимости олова в свинце и свинца в олове соответственно.

Рисунок 1.15 - Диаграмма состояния сплавов Pb- Sn

Диаграмма состояния сплавов типа "дистектика" характеризует сплавы, обладающие полной растворимостью в жидком состоянии, нерастворимостью в твердом состоя­нии и образующие химическое соединение компонентов

Рисунок 1.16 - Диаграмма состояния сплавов Mg- Ca

На рисунке 1.16 приведена диаграмма состояния сплавов магний - кальций (Mg-Ca). Химическое соединение Mg₄ Ca₃ можно рассматривать как новый, тре­тий компонент, кoтoрый делит диаграмму состояния Мg-Са на две диаграммы типа "эвтектика": Mg- Mg₄Ca₃ и Mg₄Ca₃ -Ca. Линия АБСДЕ -линия ликвидус, а линия GHFK - линия солидус. По линии АВ начи­нается выпадение кристаллов магния ; по линии ВСД - выпадение кристаллов соединения Mg₄Ca₃, а по линии ДЕ - выпадение кристал­лов кальция. В точках В и Д одновременно кристаллизуются Mg и Mg₄Ca₃ и Mg₄Ca₃ и Ca соответственно, образуя эвтектику. Доэвтектические сплавы представляют собой смесь кристаллов магния и эв­тектики, а заэвтектические - смесь кристаллов соединения Mg₄Ca₃ и эвтектики. Вторая часть диаграммы аналогична, только вторым компонентом в ней является Сa.

1.2.3 Диаграмма "состав-свойство"

Физические свойства сплавов зависят от фазового состояния сплавов. Исследованиями Н.С.Курнакова, А.А.Бочвара установлена связь между диаграммами состояния сплавов, физическими и технологическими свойствами сплавов.

На рисунке 1.17 а..г приведены четыре основных типа диаграмм состояния и изменения свойств у этих сплавов в зависимости от состава, которые заключаются в следующем.

1 Если при сплавлении компонентов образуется механическая смесь фаз, то свойства сплавов с изменением состава изменяются по закону прямой линии (аддитивно)
(рисунок 1.17 а).

2 Если при сплавлении компонентов образуются неограниченные твердые растворы, то свойства изменяются по криволинейному закону с максимумом или минимумом (рисунок 1.176).

3 Если при сплавлении компонентов образуются органические твердые растворы, то в той части, где имеют место однофазные области твердых растворов, свойства изменяются по закону кривой линии. В двухфазных областях свойства
изменяются аддитивно (рисунок 1.17в).

4 Если компоненты образуют химическое соединение, то составу химического соединения соответствует максимум или минимум по кривой изменения свойств. Это
точка перелома, соответствующая составу химического соединения, называется сингулярной точкой (рисунок 1.17г).

Представленная на рисунок 1.17 а...г связь между свойствами и видом диаграммы состояния сплавов является приближенной схемой, так как здесь не учитываются влияния на свойства структуры ( формы и размеров кристаллов) и температурного
фактора, которые во многих случаях оказывают очень большое влияние на свойства сплавов. Так, в частности, при образовании дисперсной механической смеси фаз дисперсные фазы (эвтектические и эвтектоидные структуры) могут достаточно резко
отличаться по твердости и прочности от грубористаллических структур, что приводит к нарушению закона аддитивности.

Также влияет на свойства наличие в структурах отдельных сплавов различного количества составляющих с низкой температурой плавления.

Знание этих закономерностей значительно облегчает создание новых сплавов с заданными свойствами и содействует более целенаправленному использованию существующих сплавов.

Рисунок 1.17- Диаграмма "состав - свойство".

Помимо твердости, прочности, электропроводности диаграммы состояния дают возможность определять литейные свойства, способ­ность поддаваться горячей механической обработке, обработке ре­занием и др.

На диаграмме 1.18 показана зависимость пластичности и литейных свойств от состава сплавов. Из рисунка видно, что наиболее пластичными являются чистые компоненты и однофазные твердые растворы. Пластичность резко понижается при появлении двухфазных смесей. Видно, как изменяются жидкотекучесть и усадочные явления в сплавах в зависимости от состава.

Рисунок 1.18 – Диаграмма состояния и технологические

свойства сплавов