Типовые диаграммы состояния Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состоянии

Если два компонента (А и В) неограниченно растворяются в жидком и твердом состоянии, то они не могут при затвердевании образовать собственных кристаллов во всех сплавах на базе этих компонентов. Соответственно, при кристаллизации в этих сплавах будут выделяться кристаллы -твердого раствора, а следовательно, максимальное число фаз в этих сплавах – 2 ( жидкость и -твердый раствор). В этом случае в соответствии с правилом фаз кристаллизация всех сплавов будет протекать только в интервале температур (кристаллизация при постоянной температуре у сплавов возможна только при наличии трех фаз).

На диаграмме присутствуют три области (рис.2):

• выше линии ликвидус - область существования жидкой фазы;

• между линиями ликвидуса и солидуса – область существования двух фаз – жидкости и -твердого раствора;

• ниже линии солидус – область существования -твердого раствора.

Рис.2. Диаграмма состояния с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состоянии и типовая кривая охлаждения

Кристаллизация любого сплава этой системы начинается выпадением из жидкого расплава отдельных кристаллов -твердого раствора и заканчивается полным затвердеванием твердого раствора (b’). Применяя правило фаз для двухфазной области этой системы получим: . Следовательно, сплавы, в отличие от чистых компонентов, кристаллизуются в интервале температур (между точками a’ и b’ на рис.2). При понижении температуры изменяется соотношение жидкой и твердой фаз в двухфазной области – количество жидкости уменьшается, а количество -твердого раствора растет. Кроме того, при понижении температуры меняются также составы жидкой и твердой фаз.

Для определения относительного количества каждой фазы и состава фаз на диаграммах состояния любого типа, пользуются правилом отрезков (правилом рычага).

Чтобы определить концентрации компонентов в двухфазной области, через интересующую нас точку, характеризующую состояние сплава (состав сплава и его температуру, т.н. фигуративную точку), проводится горизонтальная линия до пересечения с линиями, ограничивающими двухфазную область (рис.1). Отрезок изотермы ls, соединяющий точки пересечения линии ликвидуса и солидуса в двухфазной области диаграммы состояния называется конодой. Проекции точек пересечения на ось концентраций покажут состав жидкой и твердой фаз.

Чтобы определить количественное соотношение жидкой и твердой фаз, необходимо составить обратно пропорциональную зависимость между их количеством и отрезками горизонтальной линии, образованными между точкой, характеризующей состояние сплава, и точками, определяющими состав жидкой и твердой фаз.

Рассмотрим пример. Проводим через точку d горизонтальную линию до пересечения и линиями ликвидус и солидус. Проекции точек пересечения l и s на ось концентраций показывают соответственно состав жидкой (X_l) и твердой (X_s) фаз. В соответствии с правилом отрезков отрезки горизонтальной линии между точкой d и точками, определяющими составы фаз l и s, обратно пропорциональны количествам этих фаз, т.е.

Q_s*sd=Q₁*ld; Q_s/Q_l=ld/sd,

где Q_s, Q_l – количество твердой и жидкой фаз соответственно.

Правило отрезков может использоваться не только для изучения процесса кристаллизации сплавов, но и для рассмотрения процессов, происходящих в твердом состоянии Оно применимо ко всем двухфазным сплавам независимо от их агрегатного состояния.