5.3. Диаграммы состояния сплавов

Свойства сплава зависят от многих факторов, но прежде всего они определяются составом фаз и их количественным соотношением. Для решения ряда практических задач важно знать, как изменяются строение и свойства сплавов различного состава при их охлаждении и нагревании. С этой целью строят так называемые диаграммы состояния.

Диаграммой состояния называют графическое изображение равновесных фазовых состояний сплавов в зависимости от температуры и концентрации компонентов. Они характеризуют процессы затвердевания и структурных превращений любых сплавов данной системы при всех охватываемых диаграммой температурах.

По диаграмме состояния можно определить температуры плавления, кристаллизации и аллотропических превращений в сплавах, примерно оценить физико-механические свойства сплава, правильно выбрать технологические режимы термической обработки, обработки давлением; с её помощью можно определить оптимальную температуру заливки жидкого металла при получении деталей методом литья и др.

Диаграммы состояния строятся на основании результатов экспериментальных исследований структуры и свойств сплавов различного состава.

Для этой цели строят серию кривых охлаждения, охватывающих широкий интервал возможных концентраций. Для каждого сплава экспериментально определяют критические точки, т.е. температуры фазовых превращений. Затем полученные значения температуры переносят на вертикальные линии поля диаграммы, соответствующие химическому составу сплава. Соединяя критические точки плавными линиями, получают диаграмму состояния для данной системы сплавов. При этом каждая ордината построенной диаграммы содержит точки фазовых превращений сплава, состав которого определяется по оси концентраций.

Рассмотрим построение диаграммы состояния двухкомпонентного сплава системы свинец Pb – сурьма Sb (рис. 21). Оба компонента в жидком состоянии неограниченно растворяются друг в друге, а при затвердевании образуют сплав типа механической смеси.

На рис. 21 с целью упрощения приведён пример определения критических точек лишь для двух сплавов данной системы, содержащих 5 и 50% сурьмы. Суммарная концентрация компонентов сплава 100%. Критические точки построенных кривых с помощью горизонтальных линий снесены на соответствующие ординаты диаграммы. Чистый свинец и чистая сурьма имеют лишь по одной критической точке при температурах 327 и 6310С соответственно. Поэтому критические точки диаграммы соответствуют 100%-ному содержанию каждого компонента сплава, а промежуточные точки по оси абсцисс – двухкомпонентным системам Pb – Sb различной концентрации.

Температурные интервалы кристаллизации некоторых других сплавов рассматриваемой системы приведены в табл. 1.

Приведённые в табл. 1 температуры отмечаем на ординатах, соответствующих концентрации сурьмы, и соединяем линиями ABC и DBE. Проведённые линии являются диаграммой состояния сплавов Pb – Sb (рис.21).

Линия ABC является геометрическим местом точек начала кристаллизации (или конца плавления). Её называют линией ликвидус (от латинского Liquidus – жидкий). Выше этой линии все сплавы данной системы находятся в жидком состоянии.

Линия DBE, проведённая через геометрическое место точек, соответствующих температурам конца кристаллизации (или начала плавления), называется линией солидус (от латинского Solidus – прочный, твёрдый). Ниже этой линии все сплавы данной системы находятся в твёрдом состоянии, т.е. имеет место механическая смесь свинца и сурьмы.

По линии АВ из жидкого раствора выпадают кристаллы свинца, по линии ВС – кристаллы сурьмы. В зонах ABD и BCE наряду с жидкой присутствует и твёрдая фаза – кристаллы свинца и сурьмы.

В точке В при массовом содержании 13% Sb, 87% Pb и при температуре 2460С кристаллизация свинца и сурьмы происходит одновременно. При этом образуется тонкая механическая смесь кристаллов свинца и сурьмы. Эта смесь представляет собой эвтектику. Сплав, соответствующий этому составу, называют эвтектическим. Как видно из рис.21 эвтектический сплав имеет самую низкую температуру плавления – 2460С.

Сплавы с содержанием сурьмы меньше 13% называют доэвтектическими, а больше 13 % – заэвтектическими.

При нагревании сплавов вначале по линии солидус расплавляется эвтектика, в которой затем при дальнейшем нагревании начинают растворяться кристаллы свинца (у заэвтектических сплавов). Растворение заканчивается по линии ликвидуса, выше которой находятся жидкие растворы системы сплавов свинец – сурьма.

Положение линий на диаграмме зависит от скорости охлаждения сплавов. Поэтому температуры критических точек при построении диаграмм состояния определяют при медленном охлаждении или нагреве. Такие диаграммы называют равновесными.

Вопросы для самопроверки:

Акулич Н.В. Процессы производства черных и цветных металлов и их сплавов, Гомель 2008