Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых образуют смеси

Приведем построение такой диаграммы на примере системы «свинец — сурьма» («Рb — Sb»). Кривые охлаждения компонентов и сплавов представлены на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Кривые охлаждения сплавов системы «Pb — Sb» .

Критические точки для чистых металлов и сплавов приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Критические точки сплавов системы «Pb — Sb» .

На основании анализа кривых охлаждения (см. рис. 3.4 и табл. 3.1) построим диаграмму состояния «Pb — Sb» .

На оси абсцисс отмечают точки, соответствующие составам исследованных сплавов, и указывают температуры начала и конца кристаллизации этих сплавов. Соединив температуры начала кристаллизации сплавов с температурами кристаллизации чистых компонентов, получим линию, которая называется ликвидус — линия АСВ диаграммы (рис. 3.5, а). Выше нее все сплавы находятся в жидком состоянии.

Рис. 3.5. Диаграмма состояния «Pb — Sb» :

а — фазовая; б — структурная Соединив точки окончания кристаллизации сплавов, получим линию солидус — линия DCE диаграммы, ниже которой все сплавы находятся в твердом состоянии. Линию солидус не следует проводить до осей ординат, так как всегда существует некоторая весьма малая взаимная растворимость компонентов системы (области, ограниченные пунктирными линиями), которой обычно пренебрегают.

На фазовой диаграмме системы «свинец — сурьма» указаны только фазы — их три в данной системе. Это жидкая фаза и две твердых — свинец и сурьма.

Фазовые диаграммы не дают представления о структуре сплавов, а следовательно, не позволяют судить об их свойствах. Более полную информацию о сплавах дают структурные диаграммы состояния (рис. 3.5, б). Для построения такой диаграммы необходимо рассмотреть превращения, которые происходят в чистых металлах (компонентах) и в характерных сплавах данной системы. Это прежде всего сплав, химический состав которого 87% Рb и 13% Sb (I), а также сплавы с меньшим (II) и большим (III) содержанием сурьмы.

Чистые металлы — свинец и сурьма кристаллизуются при постоянной температуре (горизонтальные участки (1−1') на кривых охлаждения (см. рис 3.4)). Как указывалось выше, это соответствует правилу фаз. Действительно, число компонентов (К) равно единице (чистый металл), количество фаз (Ф) при кристаллизации две — жидкая и твердая, а число степеней свободы © равно нулю (С = К — Ф+1 = 1 — 2 + 1 = 0). Это означает, что кристаллизация должна проходить при постоянной температуре.

Кристаллизация всех сплавов, кроме одного (87% РЬ, 13% Sb), протекает в интервале температур. Особое положение занимает сплав I (87% РЬ, 13% Sb), который, так же как чистые металлы, кристаллизуется при постоянной температуре.

Рассмотрим кристаллизацию этого сплава. Участок 0−1 кривой охлаждения сплава (см. рис. 3.4, г) соответствует охлаждению жидкости (К = 2, Ф = 1 — одна фаза — жидкость, т. е. С = 1, поэтому возможно изменение температуры при сохранении фазового состава). При температуре 246 °C (линия DBE диаграммы, (рис. 3.5, б)) происходит кристаллизация жидкости при постоянной температуре (участок 1−1' на кривой охлаждения), т. е. С = 0. При К = 2 такое возможно только в том случае, если Ф = 3, тогда С = 2- 3+ 1 = = 0. Это означает, что при кристаллизации сплава одновременно существуют три фазы (жидкость, свинец и сурьма), т. е. из жидкости одновременно выделяются оба компонента, образуя смесь.

Такой наиболее легкоплавкий сплав системы и называется эвтектическим, а структура, полученная при кристаллизации такого сплава, — эвтектикой. Кристаллизацию эвтектического сплава можно описать следующей схемой:

Ж > Э [Pb + Sb],.

Таким образом, эвтектика состоит из двух фаз — свинца и сурьмы. Структура сплава после окончательного затвердевания — эвтектика (рис. 3.6, б), которая является структурной составляющей.

Сплавы, расположенные слева от эвтектического, называются доэвтектическими, а расположенные справа — заэвтектическими. Первичная кристаллизация таких сплавов начинается с выделения избыточной фазы — фазы, содержание которой в сплаве больше, чем в сплаве эвтектического состава. Для рассматриваемой системы избыточной фазой является компонент. Таким образом, у доэвтектических сплавов избыточной фазой будет свинец (его содержание в них больше 87%), а у заэвтектических — сурьма (ее содержание в этих сплавах превышает 13%).

Кристаллизацию доэвтектических сплавов рассмотрим па примере сплава с 5% Sb и 95% Pb (см. рис. 3.4, б). До точки 1 сплав находится в жидком состоянии. В точке 1

Рис. 3.6. Структура доэвтектического (а), эвтектического (б) и заэвтектического (в) сплавов системы «Рb — Sb» .

начинается кристаллизация сплава с выделением из жидкости кристаллов Рb. Этот процесс проходит в интервале температур 1−2 (участок 1−2 на кривой охлаждения). В указанном интервале температур система имеет одну степень свободы (К = 2 — компоненты Sb и Рb, Ф = 2 — твердая и жидкая фазы, следовательно, С = КФ+1 = = 2−2 + 1), т. е. возможно понижение температуры без изменения фазового состава. При охлаждении в этом интервале температур происходит изменение химического состава жидкой фазы: поскольку из жидкости выделяется свинец, в ней повышается содержание сурьмы. В точке 2, как показывают результаты химического анализа, в жидкой фазе содержится 13% Sb и 87% Рb (см. рис. 3.4, г). При температуре 246 °C (см. табл. 3.1) состав оставшейся жидкости соответствует эвтектическому. Кристаллизация осуществляется по эвтектическому механизму, т. е. при постоянной температуре и с одновременным выделением из жидкости двух твердых фаз — кристаллитов Sb и Рb (участок 2−2' кривой охлаждения). После окончания кристаллизации (точка 2' на кривой охлаждения) сплав охлаждается в твердом состоянии. Структура этого сплава после затвердевания состоит из зерен свинца и эвтектики (рис. 3.6, а). Аналогично протекает процесс кристаллизации всех доэвтектических сплавов данной системы.

Кристаллизация заэвтектичесих сплавов (на примере сплава III — 75% РЬ, 25% Sb, см. рис. 3.4, д и 3.5, 6) протекает аналогично доэвтектическим. Отличие заключается в том, что в интервале температур 1−2 диаграммы состояния (участок 2−2' кривой охлаждения) из жидкости выделяются зерна сурьмы, а не свинца, как в первом сплаве. После окончательного затвердевания структура этого сплава состоит из зерен сурьмы и эвтектики (рис. 3.6, в).

Для сплавов данного типа возможна ликвация по плотности. Ликвация — неоднородность химического состава и соответственно свойств по объему сплава.

В процессе кристаллизации из жидкости выделяются кристаллы с плотностью, отличной от плотности жидкости. Это приводит к тому, что кристаллы либо всплывают, если их плотность меньше плотности жидкости, либо оседают на дно, если их плотность превышает плотность жидкости. В результате слиток получается неоднородным по составу и свойствам. Для предупреждения этого в процессе кристаллизации сплавы интенсивно перемешивают.