Теоретические основы

У кристаллических тел при переходе из одного состояния в другое, при протекании фазовых превращений выделяется или поглощается теплота и физические свойства при этом меняются скачкообразно.

Температуры, при которых происходят те или иные физико-химические изменения в сплаве, называются критическими температурами, а соответствующие им точки на кривых охлаждения – критическими точками.

Для определения критических точек сплава достаточно через короткие, но равные промежутки времени измерять температуру медленно охлаждающегося от жидкого состояния до комнатной температуры сплава, затем, построив по этим данным кривую охлаждения в координатах «Температура − время», отыскать на ней точки перегиба, которые и будут являться критическими точками данного сплава.

В сплавах в зависимости от характера взаимодействия металлов друг с другом в твёрдом состоянии образуются твёрдые фазы и протекают различные фазовые превращения: образование твердых растворов, химических соединений, смесей.

По критическим точкам чистых металлов и сплавов строятся диаграммы фазового равновесия (рис. 4.3.1). Эти диаграммы в удобной графической форме показывают фазовый состав сплава в зависимости от температуры и концентрации компонентов и дают наглядное представление о процессах, происходящих в сплавах системы при нагреве и охлаждении.

Различают следующие основные типы диаграмм состояния:

диаграмма для случая полной нерастворимости компонентов в твердом состоянии (образование смесей), рис. 4.3.1а;

диаграмма для случая неограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии (неограниченные твердые растворы), рис. 4.3.1б;

диаграмма для случая ограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии (ограниченные твердые растворы), рис. 4.3.1в;

диаграмма для случая, когда компоненты образуют химическое соединение, рис. 4.3.1г.

а)

б)

в)

г)

Рис. 4.3.1. Диаграммы состояния сплавов

Сплавы, образующие диаграмму I-го типа (рис. 4.3.1а), в твердом состоянии представляют собой смеси из зерен чистых металлов А и В.

В сплавах на рис. 4.3.1 металлы А и В образуют 2 типа растворов: твёрдый раствор компонента В в компоненте А – α-твёрдый раствор и твёрдый раствор ком­понента А в компоненте В – β-твёрдый раствор.

Совокупность точек начала кристаллизации всех сплавов системы (линия АСВ в рис. 4.3.1а–в) называется ликвидусом. Выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии.

Совокупность точек конца кристаллизации всех сплавов системы (линия DСE на рис. 4.3.1а, ADB – на рис. 4.3.1б, АDCEB – на рис. 4.3.1в) называется солидусом. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии.

Сплавы, представленные на рис. 4.3.1б, ниже линии солидуса при любой концентрации имеют только одну фазу – зерна твердого раствора компонента В в компоненте А.

Сплав двух металлов А и В определенной концентрации, образующийся в точке С (рис. 4.3.1а, в), называется эвтектическим. Такой сплав кристаллизуется подобно чистому металлу при постоянной температуре, образуя смесь кристаллов двух твёрдых растворов, называемую эвтектикой.

Сплавы с концентрацией металла В меньше эвтектической называются доэвтектическими, а с концентрацией металла В больше эвтектической − заэвтектическими.

Рис. 4.3.2. Кривая охлаждения доэвтектического сплава

Рассмотрим кривую охлаждения доэвтектического сплава (рис. 4.3.2). На участке 1 – 2 идет охлаждение жидкого сплава по физическим законам. В точке 1 начинается процесс кристаллизации, за счёт выделения скрытой теплоты кристаллизации уменьшается скорость охлаждения сплава и на кривой охлаждения образуется перегиб. Температура t₁ – критическая точка начала кристаллизации из жидкости α-твёрдого раствора. Этот процесс продолжается до точки 3. В точке 3 начинается кристаллизация эвтектики – смеси двух фаз, выделяющихся из жидкого раствора эвтектической концентрации.

Кристаллизация эвтектики происходит при постоянной температуре (участок 3 – 4) и заканчивается в точке 4 при температуре t₂ по реакции
Ж → (α + β). Температура t₂ – критическая точка конца первичной кристаллизации сплава.

На участке 4 – 5 при охлаждении сплава понижается растворимость компонента В в компоненте А. Это приводит к выпадению вторичных кристаллов β_II из α-твёрдого раствора: α → β_II.

В результате описанных процессов в сплаве образуется конечная структура, состоящая из первичных кристаллов α-твёрдого раствора, эвтектики (α + β) и вторичных кристаллов β_II-твёрдого раствора.