2.2. Сплавы с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии

а б

Рис. 3. Диаграмма состояния сплавов медь (Cu) - никель (Ni) – а, кривые охлаждения сплавов – б

2.2.1. Области диаграммы состояния

Выше линии ликвидус MlN - жидкий неограниченный раствор – L. Ниже линия солидус MsN - твердый неограниченный раствор α. Между линиями ликвидус и солидус – двухфазная область (L+α).

2.2.2. Кристаллизация сплавов в равновесных условиях

Выше MlN сплав находится в состоянии жидкого ненасыщенного раствора. С понижением температуры растворимость компонента в жидкой фазе уменьшается, в точке 1 достигается насыщение. При дальнейшем охлаждении начинается кристаллизация – выделяется избыток более тугоплавкого компонента – Ni, но не в чистом виде, а в виде α-твердого раствора, отвечающего по составу точке 1´. В связи с выделением из жидкости избытка тугоплавкого компонента, жидкость им обедняется и обогащается легкоплавким – Cu. Из жидкости, обедненной тугоплавким компонентом, при дальнейшем охлаждении, продолжают выделяться кристаллы α-фазы, но также обедненные компонентом Ni. При дальнейшем развитии кристаллизации состав α продолжает обедняться Ni – состав меняется по кривой 1´-2; а состояние жидкости по кривой 1-2´. Кристаллизация заканчивается в точке 2 образованием твердой фазы, на 100% состоящей из кристаллов α - твердого раствора. Фазовое превращение L_1-2´→α_1´-2

2.2.3. Кристаллизация сплавов в неравновесных (реальных) условиях

В рассмотренном процессе кристаллизации жидкость и α-твердые кристаллы имеют переменный состав (рис.4): внутренние части кристалла (1) обогащены тугоплавким компонентом, наружные слои (2,3) и зародыш (4), образовавшиеся позднее обогащены легкоплавкой примесью - возникает градиент концентрации - движущая сила диффузии.

Рис. 4. Схема изменения состава растущего кристалла

В равновесных условиях (при очень медленной скорости охлаждения) процесс диффузии в жидкой и твердой фазах успевают за процессом кристаллизации - поэтому состав кристаллов выравнивается. В этих условиях сплав после затвердевания будет состоять из однородных зерен твердого раствора и состав их во всех точках соответствует исходному составу сплава «К» (рис. 5).

Рис. 5. Схема изменения состава для сплава «К» в неравновесных условиях кристаллизации

В реальных условиях процесс диффузии отстает от процесса кристаллизации. При охлаждении от t₁ до t₂ в отсутствии равновесия состав S₂ приобретут только поверхностные слои кристаллов на границе раздела L-α ; внутренние части кристаллов, образовавшиеся выше, не успеют изменить свой состав, и средний состав кристалла будет соответствовать C₂. Точка C₂ находится усреднением S₁ и S₂. При понижении температуры средний состав ее больше отклоняется от равновесного и соответствует не S₃, а C₃ (середина отрезка(S₃ и проекции C₂)).

При t₅ затвердевание в равновесных условиях закончилось, в реальных условиях сохраняется некоторое количество жидкости Q_ж= C₅ S₅/ C₅ l₅

Затвердевание закончится в точке t₆ , когда линия неравновесного солидуса C₁C₅ пересечет линию сплава - состав твердой фазы в среднем достигнет состава сплава «К» - точке C₆.

Таким образом, кристаллизация в реальных условиях приводит к следующему:

1) твердая фаза в некоторой части обогащена компонентом «В», а в другой части, затвердевающей в последнюю очередь, обеднена им (межосевые пространства дендритов), что приводит к дендритной ликвации.

2) возникновение ликвации сопровождается расширением интервала кристаллизации, что следует учитывать при назначении режима диффузионного отжига - термообработки для исправления ликвации.

Пунктирная линия С₁-С₆ – линия неравновесного солидуса.