Твердые растворы ограниченной растворимости

Ограниченная растворимость компонентов в металлических сплавах встречается гораздо чаще, чем неограниченная. Различают два типа диаграмм состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов: с эвтектическим и перитектическим превращением.

Диаграмма состояния с эвтектикой. На этой диаграмме (рис. 3.8) линия KEL — линия ликвидус, линия KDCL — линия солидус. В этой системе образуются фазы, представляющие собой твердые растворы, — а (В в А) и? (Л в В). Области их существования прилегают к соответствующим компонентам — область ?-твердого раствора, в котором растворителем является компонент А, прилегает к этому компоненту;? — к компоненту В. Предельная растворимость компонента В в А определяется линией DF, а предельная растворимость А в В — линией СО.

Процессы кристаллизации ряда сплавов данной системы протекают так же, как в сплавах, компоненты которых образуют твердые растворы неограниченной растворимости. Это сплавы, находящиеся на диаграмме левее точки F (при кристаллизации образуется ?-твердый раствор) и правее точки G (при кристаллизации образуется ?-твердый раствор). Они имеют однофазную структуру.

Кристаллизация сплавов, расположенных на диаграмме состояния в интервалах от точки F до проекции на ось концентраций точки D и от точки G до проекции точки С, отличается от рассмотренной ранее. Рассмотрим процесс кристаллизации одного из сплавов (сплав I). Выше точки 1 сплав находится в жидком состоянии. В точке 1 начинается кристаллизация сплава с выделением из жидкости кристаллов ?-твердого раствора. По мере понижения тем;

пературы от точки 1 до точки 2 концентрация компонентов в жидкой фазе изменяется по линии 1b, а в ?-твсрдом растворе — по линии а2, количество жидкой фазы при этом уменьшается, а твердой возрастает. В точке 2 кристаллизация сплава заканчивается, его структура ниже этой точки состоит только из зерен ?-твердого раствора, концентрация компонентов в котором такая же, как в сплаве (т.е. химические составы сплава и ?-твердого раствора совпадают).

До точки 3 превращений не происходит, продолжается охлаждение сплава, находящегося в твердом состоянии. Ниже точки 3 из ?-твердого раствора начинают выделяться кристаллы ?-твердого раствора, которые укрупняются по мере охлаждения сплава. Процесс выделения ?-фазы объясняется тем, что при понижении температуры растворимость компонента В в ?-твердом растворе уменьшается, на что указывает линия DF (концентрация компонента В в твердом растворе при температуре, соответствующей точке 3, соответствует проекции этой точки на ось абсцисс, т. е. точке 3', а после окончательного охлаждения — точке F). Избыток этого компонента выделяется не в чистом виде, а в виде фазы, богатой компонентом В, т. е. в виде ?-фазы. Структура таких сплавов после окончательного охлаждения состоит из двух фаз (рис. 3.9). Кристаллы ?-твердого раствора, выделяющиеся из ?-твердого раствора, т. е. из твердого вещества, называются вторичными и обозначаются? II, в отличие от кристаллов, выделяющихся из жидкости, которые называются первичными.

Аналогичные процессы будут происходить при кристаллизации сплавов, расположенных на диаграмме состояния в интервале " G — проекция С" (см. рис. 3.8), по здесь вторичными будут кристаллы ?-фазы — ?11.

Кристаллизация сплавов, расположенных на диаграмме состояния в интервале " D — С" (на примере сплава III), происходит с образованием эвтектики (аналогично рассмотренной в системе «свинец — сурьма»).

Отличие в том, что в рассматриваемой системе эвтектика состоит из смеси твердых растворов, а и ?, а нс из чистых компонентов. На линии DC (точка^{происходит} эвтектическое превращение: ЖЕ > ?р + ?С (индекс обозначает состав соответствующей фазы: состав жидкости соответствует проекции точки Е, состав ?-фазы — проекции точки D, состав ?-фазы — проекции точки С). Структура доэвтектоидных сплавов —? + Э, заэвтектоидных —? + Э.

Диаграмма состояния с перитектикой. На диаграмме с перитектикой (рис. 3.10) линия KCL — ликвидус, линия KPDL — солидус. Линия CPD называется линией перитектического превращения, при котором, как и при эвтектическом, одновременно существуют три фазы постоянного состава: жидкость, ?- и ?-твердые растворы. Концентрация компонентов в жидкой фазе определяется проекцией точки С, в ?-фазс — проекцией точки Р, а в ?-фазе — проекцией точки D на ось абсцисс.

Перитектическое превращение существенно отличается от эвтектического. При перитектическом превращении жидкость взаимодействует с ранее образовавшейся твердой фазой определенного состава, в результате чего получается одна новая твердая фаза, т. е. Ж +? > ?, исходными.

являются две фазы, образующие одну новую. При эвтектическом же превращении исходной является одна жидкая фаза, из которой одновременно кристаллизуются две новые твердые фазы.

Рассмотрим процессы кристаллизации двух сплавов данной системы — заперитектического (правее точки Р — интервал PD) и доперитектического (левее точки Р — интервал PC), в которых протекает перитектическое превращение.

Процесс кристаллизации сплавов, для которых не происходит перитектического превращения (это лежащие левее проекции точки С и правее проекции точки D), не отличается от уже рассмотренных.

Сплав I. До точки 1 сплав находится в жидком состоянии. В точке 1 начинается кристаллизация с выделением из жидкой фазы кристаллов ?-твердого раствора. При понижении температуры от точки 1 до точки 2 химический состав жидкой фазы изменяется по линии 1C, а химический состав ?-твердого раствора — по линии bD. В точке 2 концентрация компонентов в жидкой фазе определяется проекцией точки С (С')на ось концентраций, а ?-фазы — проекцией точки D (Е). В точке 2 происходит перитектическая реакция: . С помощью правила отрезков определим количество жидкости и количество твердого раствора ?, которые необходимы и достаточны для перитектического превращения (этому условию отвечает сплав с концентрацией, соответствующей точке Р): . Определим теперь количество твердой и жидкой фазы в рассматриваемом сплаве в точке 2: . Из приведенных соотношений видно, что в данном сплаве ?-фаза находится в избытке (С2 > СР) и, следовательно, часть ее не участвует в превращении и будет существовать ниже точки 2. Таким образом, ниже точки 2 структура сплава будет состоять из двух фаз. Фаза, выделившаяся ранее, —? окружена фазой, выделившейся позднее, — а (рис. 3.11).

Сплав II. До точки 2' превращения в этом сплаве были аналогичны тем, что происходили в первом сплаве в интервале 1−2 (см. рис. 3.10). В точке 2' количество жидкой фазы в сплаве определяется отношением отрезков 2'D/CD, т. е. ее больше, чем это необходимо для образования ?-фазы. Поэтому в точке 2' кристаллизация сплава не заканчивается. Ниже этой точки до линии солидус существуют две фазы — жидкая и ?-твердый раствор. При понижении температуры от точки 2' до точки 3' количество жидкой фазы уменьшается, а твердой — возрастает. При этом концентрация компонентов в жидкости изменяется по линии Са, а в ?-твердом растворе — по линии P3'. В точке 3' кристаллизация заканчивается образованием ?-твердого раствора, ниже этой точки происходит охлаждение сплава в твердом состоянии. Структура сплава — однофазная, это ?-твердый раствор, концентрация компонентов в котором такая же, как в сплаве.

Диаграммы состояния сплавов с химическим соединением

Диаграмму с устойчивым химическим соединением можно разделить на две части. На одной части диаграммы (I) будут присутствовать сплавы, образованные компонентом А и химическим соединением АтВп, а на другой (II) — химическим соединением АтВп и компонентом В. В этом случае химическое соединение выступает в роли одного из компонентов. Каждая часть диаграммы представляет собой диаграмму состояния сплавов, компоненты которой образуют в твердом состоянии смеси (рис. 3.12, а) или твердые растворы с ограниченной растворимостью компонентов (рис. 3.12, б). Превращения в сплавах, компоненты которых образуют диаграммы такого типа, рассмотрены выше.

В практике часто рассматривают только часть диаграммы в пределах «компонент — химическое соединение». Так, диаграмма «железо — углерод» (она подробно рассмотрена в гл. 4), описывающая структуры самых распространенных конструкционных материалов — сталей и чугунов, рассматривается в пределах «железо — карбид железа» (Fe — Fe3C).

а — химическое соединение образует с компонентами смеси; б — химическое соединение образует с компонентами твердые растворы с ограниченной растворимостью компонентов.

Зависимости Н. С. Курнакова между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния

Правило Н. С. Курнакова устанавливает связь между типом диаграммы состояния и характером изменения физико-механических свойств сплавов в зависимости от содержания в них компонентов (рис. 3.13).

При образовании смесей значения свойств — твердости, прочности, электропроводности и других изменяются прямолинейно в зависимости от концентрации компонентов (аддитивно).

При образовании твердых растворов свойства сплавов изменяются по криволинейной зависимости (по параболе).

При образовании химического соединения на кривой изменения свойств наблюдается «перелом» при концентрации компонентов, соответствующей химическому соединению, поскольку его свойства резко отличаются от свойств компонентов.

а — твердый раствор с неограниченной растворимостью; б — твердый раствор с ограниченной растворимостью; в — химическое соединение.