Кузьмин Б.А. и др. Металлургия, металловедение и конструкционные материалы

Подождите немного. Документ загружается.

талей из данного сплава. Эти и другие сведения необходимы также при разра-

ботке технологии горячей обработки и сварки, назначении того или иного спла-

ва для изготовления из него изделий.

Кроме качественной оценки структуры, по диаграмме состояния можно

дать и количественную оценку сплава, т. е. определить, например, количест-

венное соотношение между жидкой и твердой частями сплава при определен-

ной температуре.

В зависимости от характера образующегося в сплавах строения (механи-

ческая смесь, твердый раствор, химическое соединение) различают следующие

основные типы диаграмм состояния:

диаграмма для случая полной нерастворимости компонентов в твердом

состоянии;

диаграмма для случая неограниченной растворимости компонентов в

твердом состоянии; диаграмма для случая ограниченной растворимости компо-

нентов в твердом состоянии;

Диаграмма для случая, когда компоненты образуют химическое соедине-

ние.

§ 3. Диаграмма состояния сплавов для случая нерастворимости ком-

понентов в твердом состоянии

Рассмотрим построение диаграммы состояния. Диаграмму состояния

строят в координатах температура - концентрация (рис. 34). Для сплавов, со-

стоящих из двух компонентов А и В, состав характеризуется отрезком прямой,

принятым за 100%. Крайние точки А и В соответствуют 100% чистых компо-

нентов. Любая точка на этом отрезке характеризует состав двойного сплава.

Так, например, точка С соответствует сплаву, со-

стоящему из 20% В и 80% А точка D соответствует

сплаву, состоящему из 60% В и 40% А. Для по-

строения диаграммы состояния из компонентов из-

готовляют серию сплавов различного состава и для каждого из них строят

вую охлаждения по результатам термического анализа (так же, как для чистых

металлов). Критические точки каждого сплава наносят на сетку в координатах

температура концентрация.

Рассмотрим построение диаграммы состояния для сплавов, состоящих из

свинца Рb и сурьмы Sb. Свинец и сурьма обладают неограниченной раствори-

мостью в жидком состоянии, а в твердом состоянии не растворяются друг в

друге, т. е. образуют механическую смесь.

На рис. 35 приведены кривые охлаждения свинца, сурьмы, трех сплавов

свинец - сурьма и диаграмма состояния сплавов свинец сурьма.

Приведенные кривые показывают, что три кривые охлаждения для свин-

ца, сурьмы и сплава 87% Рb и 13% Sb имеют одну критическую точку (горизон-

тальную площадку). Горизонтальные площадки для чистых металлов: свинца

при 327° С и сурьмы при 631 °С (рис. 35, а, д) являются температурами их за-

твердевания.; Для сплава с 87% РЬ и 13% Sb (рис. 35, в) горизонтальная пло-

щадка при 246° С является температурой затвердевания данного сплава с обра-

зованием механической смеси кристаллов свинца и сурьмы. Такая механиче-

ская смесь называется эвтектикой. Температура, при которой образуется эвтек-

тика (в данном случае! 246° С), называется эвтектической температурой, состав

сплава, при котором образуется эвтектика (в данном случае 87% Рb и 13% Sb),

называется эвтектическим составом.

Для двух других сплавов свинец - сурьма (рис. 35, б, г) имеются две кри-

тические точки 1 и 2, указывающие на то, что эти сплавы затвердевают не при

одной постоянной температуре, а в интервале температур. В таких сплавах до-

бавка одного компонента к другому понижает температуру начала затвердева-

ния сплава. Температура же конца затвердевания не зависит от состава сплава и

одинакова для всех сплавов - для данной системы это температура 246° С.

На кривой охлаждения каждого сплава температура, соответствующая

точке 1, отвечает началу затвердевания сплава и называется температурой лик-

видуса (liquidus - жидкий); температура точки 2 соответствует концу затверде-

вания сплава и называется температурой солидуса (solidus-твердый).

Характерным для данной системы является то, что сплавы любого соста-

ва окончательно затвердевают только в том случае, если они имеют эвтектиче-

ский состав (87% РЬ и 13% Sb). В различных сплавах свинец - сурьма по срав-

нению со сплавом эвтектического состава имеется избыток или свинца, или

сурьмы. Поэтому, например, в сплаве состава 95% РЬ и 5 % Sb (рис. 35, б),

имеющем большее количество свинца против эвтектического состава, в интер-

вале температур от точки 1 до точки 2 из жидкого сплава выделяются кристал-

лы свинца до тех пор, пока жидкий сплав не обогатится сурьмой до 13% и за-

твердеет при 246° С с образованием эвтектики. Так как до кристаллизации эв-

тектики выделяются кристаллы свинца, после окончательного затвердевания

получается структура свинец + эвтектика (свинец -f сурьма).

В сплаве состава 60% РЬ и 40% Sb (рис. 35, г), наоборот, имеется избыток

сурьмы, и поэтому в интервале температур от точки / до точки 2 выделяются

кристаллы сурьмы и жидкий сплав обогащается свинцом до содержания 87% и

затвердевает при 246° С с образованием эвтектики. Так как до кристаллизации

эвтектики выделяются кристаллы сурьмы, после окончательного затвердевания

получается структура сурьма + эвтектика (свинец + сурьма). Если с кривых ох-

лаждения критические температуры перенести на сетку в координатах темпера-

тура - концентрация, как показана на рис. 35, и эти точки соединить между со-

бой, то получим диаграмму состояния сплавов свинец - сурьма. На этой диа-

грамме линия ABC - линия начала затвердевания сплавов - линия ликвидуса.

Выше температур, образующих эту линию, все сплавы этой системы находятся

в жидком состоянии. Линия DCE - линия конца затвердевания - линия солиду-

са. При температурах ниже этой линии все сплавы этой системы находятся в

твердом состоянии. Между этими линиями часть сплава находится в твердом, а

часть - в жидком состоянии. По линии АС из жидкого сплава выделяются кри-

сталлы свинца, а по линии СВ - кристаллы сурьмы. Между линиями АС и DC

наряду с жидким сплавом присутствуют крнсталлы свинца, а между линиями

СВ и СЕ - жидкий сплав и кристалле сурьмы.

Линия солидуса ВСЕ является также линией образования эвтектики сви-

нец - сурьма. Сплав состава точки С (13% Sb) после затвердевания состоит

только из одной эвтектики свинец - сурьма. Сплавы, по своему составу лежа-

щие левее эвтектической точки С (на линии DC), называются доэвтектическими

сплавами и после затвердевания имеют структуру: свинец + эвтектика (свинец -

сурьма). Сплавы, по своему составу лежащие правее эвтектической точки С (на

линии СЕ), называются заэвтектическимй и после затвердевания имеют струк-

туру: сурьма + эвтектика (свинец + сурьма).

§ 4. Диаграмма состояния сплавов для случая неограниченной рас-

творимости компонентов в твердом состоянии

Такая диаграмма состояния приведена на рис. 36. На этой диаграмме

верхняя линия - это линия ликвидуса, а нижняя - линия солидуса. Выше линии

ликвидуса все сплавы находятся в жидком состоянии, ниже линии солидуса - в

твердом состоянии;] Между линиями ликвидуса и солидуса происходит затвер-

девание сплавов и они состоят из жидкой и твердой фаз.

Структура всех этих сплавов в условиях равновесия однородна состоит из

зерен, представляющих собой твердый раствор одной компонента в другом, а

микроструктура таких сплавов такая же, как у чистых металлов (см. рис. 32, б).

Рассмотрим процесс кристаллизации какого-либо сплава по этой диа-

грамме при очень медленном охлаждении, т. е. полностью в равновесных усло-

виях. Пусть кристаллизуется сплав I - I состава 50% компонента A и 50% ком-

понента В (рис. 36). При температуре t

начинается кристаллизация и образу-

ются первые кристаллы. На любой диаграмме состояния состав твердой части

сплава (состав кристаллов, которые могут находиться в равновесии с жидко-

стью) при данной температуре показывает линия солидуса. Следовательно,

первые образовавшиеся кристаллы имеют состав точки М. При дальнейшем

охлаждении, когда сплав достигает, например, температуры t

, в равновесии с

жидкостью уже находятся только кристаллы состава точки Л.

Рассмотрим, каким образом ранее образовавшиеся кристаллы состава

точки М превращаются в кристаллы состава точки Л. В кристаллах состава М

больше компонента В, чем в кристаллах состава Л, следовательно'; кристаллы

состава М обогащаются компонентом А. Этот процесс происходит за счет

диффузии атомов компонента А в уже имеющиеся, т. е. возникшие до этой

температуры, кристаллы. При достаточной выдержке или медленном охлажде-

нии

при fi устанавливается равновесие кристаллов состава точки Л и жидкого

сплава. Но в кристаллах состава точки Л компонента В больше, чем в сплаве,

следовательно, жидкая часть сплава беднее компонентом В. При этой темпера-

туре состав жидкости части сплава определяется линией ликвидуса, т. е. точкой

Л.

При дальнейшем охлаждении, когда сплав достигает температуры 4 и ус-

танавливается равновесие, сплав состоит из кристаллов твердого раствора со-

става точки К и жидкой части сплава состава точки Р.

Таким образом, чем ниже температура, тем больше кристаллов твердого

раствора и тем они по составу ближе к исходному (т. е. в данном случае 50%

компонента А и 50% компонента В). При достижении температуры 4 сплав

полностью затвердеет и состоит из однородных кристаллов твердого раствора.

Так происходит процесс при условии очень медленного охлаждения, когда со-

став кристаллов успевает полностью выравняться.

При ускоренном охлаждении (в реальных условиях охлаждения) состав

кристаллов не получается однородным. Это происходит потому, что скорость

кристаллизации больше скорости диффузии.

Выравнивание концентрации по объему кристаллов происходит» исклю-

чительно путем диффузии. Для того чтобы состав во всех местах кристалла вы-

равнялся, требуется диффузия атомов внутри) кристаллов твердого раствора и

между жидкостью и кристаллами. Диффузионные процессы протекают медлен-

но, поэтому в обычных) условиях охлаждения (кристаллизации) состав в раз-

личных местах кристалла не успевает полностью выравняться и они имеют раз-

нородный состав.

Неоднородность состава внутри кристалла называется внутрикристаллит-

ной ликвацией, а так как такая неоднородность связана с дендритным характе-

ром кристаллизации, то эту неоднородность по составу называют также денд-

ритной ликвацией.

Дендритную ликвацию можно устранить продолжительным нагревом

сплава при высоких температурах, называемым диффузионным отжигом, во

время которого интенсивно протекает npoцесс диффузии; неоднородность по

объему, т. е. зональную лнквацию, устранить нельзя.

§ 5. Диаграмма состояния сплавов для случая ограниченной раство-

римости компонентов в твердом состоянии

Характерной особенностью такой диаграммы является наличие при тем-

пературах ниже линии солидуса, т.е. для твердого состояния, линии (или ли-

ний) ограниченной растворимости. Один

из видов такой диаграммы состояния показан на рис. 37.

На этой диаграмме верхняя линия KCD - ли-

ния ликвидуса, показывающая температуры плав-

ления сплавов; линия KECF - линия солидуса, по-

казывающая температуры затвердевания сплавов.

Следовательно, , ниже линии KECF все сплавы, \

состоящие из компонентов An В, находятся пол-

ностью в твердом состоянии.

Линия SE показывает изменение раствори-

мости с понижением температуры компонента В в компоненте А в твердом со-

стоянии. В данном случае с понижением температуры растворимость уменьша-

ется.

Следовательно, если кристаллизуется сплав, состав которого левее точки

S, то при любой температуре все количество компонента В находится в твер-

дом растворе. Кристаллизация таких сплавов ничем не отличается от рассмот-

ренных выше условий кристаллизации в случае неограниченной растворимо-

сти, т. е. после затвердевания и вплоть до полного охлаждения структура таких

сплавов состоит из зерен твердого раствора.

Другой характер имеет кристаллизация и структура сплавов, состав кото-

рых находится правее точки S, т. е. за пределом растворимости.

Рассмотрим для примера процессы, происходящие при охлаждении, на-

пример, сплава I - I (рис. 37).

До температуры точки / сплав жидкий. При температуре точки 1 начина-

ется кристаллизация и до температуры точки 2 образуются кристаллы твердого

раствора Б в Л (обозначим их а). В точке 2 сплав имеет структуру кристаллов а.

От точки 2 до точки 3 происходит охлаждение сплава без изменения его струк-

туры. При температуре точки 3 сплав пересекает линию предельной раствори-

мости компонента Б в Л, т. е. линию SE. Ниже этой температуры (ниже точки 3)

растворимость становится все меньшей и меньшей. Все количество компонента

В уже не может находиться в растворе. Часть компонента В выходит из раство-

ра и образует отдельные кристаллы компонента В, называемые вторичными

(В

Таким образом, после полного охлаждения сплав имеет структуру, со-

стоящую из твердого раствора а и вторичных кристаллов компонента В (В

Процесс выделения вторичных кристаллов из твердого раствора называ-

ется вторичной кристаллизацией, в отличие от образования кристаллов в жид-

ком сплаве {первичная кристаллизация).

В сплавах, лежащих по составу правее точки Е, т. е. на линии ECF, обра-

зуется эвтектика. Особенность этой эвтектики в том, что она представляет

смесь не кристаллов Л и В, а кристаллов твердого раствора а и кристаллов ком-

понента В.

Фазовые состояния сплавов и структуры в различных областях диаграм-

мы указаны на рис. 37.

§ 6. Диаграмма состояния сплавов для случая образования компо-

нентами химического соединения

Химическое соединение обозначают АmВn. Это означает, что в данном

соединении на m атомов компонента A приходится n атомов компонента В. Со-

став химического соединения является постоянным, т. е. при нагреве и охлаж-

дении не изменяется.

Диаграмма состояния сплавов для случая образования между ком-

понентами химического соединения имеет вид, показанный на рис. 38.

Диаграмма как бы составлена из двух диаграмм, когда образуется меха-

ническая смесь. В сплавах левее точки С (соответствующей по составу химиче-

скому соединению АmВn) имеется компонента Л больше, чем входит в хими-

ческое соединение. Следовательно, в этих сплавах левее точки С образуется

механическая смесь АmВn + А.

в сплавах правее точки С компонента В больше, чем можв входить в хи-

мическое соединение. Следовательно, в этих сплава

образуется механическа смесь

АmВn + В. Кристаллизация таких спла-

вов в принципе не отличается от кристал-

лизации по рассмотренной диаграмме, ко-

гда образуется механическая смесь. Осо-

бенность заключается в том

что в левой части диаграммы образуется

эвтектика, состоящая из кристаллов

А и химического соединения АmВn, а в правой

части диаграммы - эвтектика, состоящая из кристалла В и химического соеди-

нения АmВn. Состояние и структуры сплавов в каждой

области диаграммы указаны на рис. 38.

§ 7. Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния

Свойства сплавов зависят от взаимодействия компонентов, т. е. от того,

какая структура в них получается. Диаграммы состояния характеризуют взаи-

модействие компонентов и показывают, какая структура получается в зависи-

мости от состава сплава. Следовательно, существует связь между свойствами и

типом диаграммы состояния. Основоположником учения о связи диаграмм со-

стояния со свойствами сплавов является акад. Н. С. Курнаков.

На рис. 39 схематически показана зависимость свойств сплавов от типа

диаграммы состояния. Отсюда можно вывести

следующее:

1) при образовании механической смеси

свойства изменяются прямолинейно (рис. 39, а);

при образовании твердых растворов свойст-

ва изменяются по плавным кривым (рис. 39, б);

3) при образовании химического соедине-

ния свойства изменяются резко - скачком (рис. 39,

в).

По диаграммам состояния можно также определить технологические

свойства сплавов. Чем больше расстояние между линиями ликвидуса и солиду-

са, т. е. чем больше интервал кристаллизации, тем больше склонность сплава к

ликвации, больше рассеянная пористость, склонность к образованию трещин в

отливках. Лучшими литейными свойствами обладают эвтектические сплавы.

Эти же сплавы имеют лучшую обрабатываемость резанием и дают наилучшую

чистоту поверхности. Однофазные сплавы - твердые растворы лучше деформи-

руются в холодном и горячем состоянии.

Из изложенного видно, что диаграммы состояния позволяют на научной

основе предвидеть поведение сплавов, выбирать сплавы в зависимости от на-

значения, применять различные виды обработки для получения заданной

структуры и свойств сплава.