2.2. Правило отрезков.

Правило отрезков позволяет в любой точке двух фазной области диаграммы определить относительное количество и химический состав обеих фаз. Для этого через выбранную точку, которая соответствует определённому составу и температуре сплава, необходимо провести горизонтальную линию. Так, например, через точку S, которая соответствует сплаву K₁, находящемуся при температуре T₁, проходит горизонтальная линия на уровне T₁. Эта штрихпунктирная линия пересекает диаграммы, ограничивающие двух фазную область диаграмм, точка f и r. Таким образом получается три отрезка fS, Sr и fr. Отношение отрезка fS к :;;.

Для того чтобы не перепутать какой отрезок чему соответствует, надо рассматривать процесс в динамике. В данном случае: с уменьшением температуры, отрезок fS увеличивается, а Sr – уменьшается. При этом, при уменьшении температуры идёт процесс кристаллизации. Значит, отрезок fS соответствует твёрдой α – фазе, а уменьшение жидкой. Химический состав жидкой фазы определяется проекцией точки f на ось концентрации. А химический состав твёрдой фазы определяется проекцией точки r на эту же шкалу.

Как видно из диаграммы начальный момент кристаллизации, то есть тока 1, химический состав твёрдой фазы близок к точке 1, а химический состав твёрдой фазы определяется проекцией точки е, то есть сначала выпадают кристаллы.

По мере кристаллизации количество кристаллов α – фазы нарастает, а содержание компонентов B уменьшается. На заключительном этапе кристаллизации, то есть в точке 2 содержание компонента В определяется проекцией точки 2, то есть приближается к K₁. Общая концентрация компонентов в сплаве ни когда не изменяется и всегда остаётся равной K₁. Просто в процессе кристаллизации идёт перераспределение компонентов между жидкими и твёрдыми фазами, так что в начальный момент кристаллизации выпадают кристаллы богатые тугоплавкими компонентами, а жидкость при этом обедняется.

Согласно рассмотренной выше диаграмме, в начальный момент затвердевания выпадают кристаллы богатые более тугоплавким компонентом (компонент B). По мере уменьшения температуры доля этих кристаллов нарастает, а концентрация тугоплавкого материала уменьшается. Изменение химического состава кристалла происходит за счёт того, что более легкоплавкий компонент (компонент A) поступает из жидкой фазы в твёрдую. Если процесс кристаллизации идёт достаточно быстро, то компоненты не успевают диффундировать. В результате центр зерна оказывается обогащённым более тугоплавким материалом, а периферия зерён обогощенны более легкоплавким компонентом. Неоднородность зерён по химическому составу называется микроликвацией (ликвация – неоднородность слитка сплава по химическому составу). Если процесс кристаллизации идёт достаточно медленно, то зёрна успевают выравниваться по химическому составу и сплав оказывается однородным.

2.3. Диаграмма состояния для сплавов образующие механические смеси из чистых компонентов.

Рассмотрим сплавы, компоненты которых A и B, неограниченно растворяются друг в друге в жидком состоянии, а в твёрдом состоянии не растворяется друг в друге, и химически не взаимодействуют. В таком случае наблюдается образование в сплаве механической смеси чистых компонентов A и B. Например, свинец-сурьма (Pb – Sb). Диаграмма состояний для подобных сплавов имеет следующий вид:

На этой диаграмме линияCED – ликвидус. Эта линия показывает температуры начало процесса кристаллизации сплавов разных составов. Линия FG – линия солидус, которая показывает температуры завершения процесса кристаллизации. Выше линии ликвидус все сплавы находятся в жидком состоянии, а ниже линии солидус только в твёрдом состоянии. Рассмотрим процесс затвердевания сплавов различного состава (I, II, III). Сплав II выше точки E находится в жидком расплавленном состоянии. В точке E (на линии FG) наблюдается кристаллизация данного сплава, при этом из жидкой фазы одновременно выпадают кристаллы чистого компонента A и B, образуя механическую смесь. Данная реакция идёт при постоянной температуре. Механическую смесь двух или более твёрдых фаз образуется из жидкой фазы, называют эвтектикой. Соответствующий процесс образования эвтектики, называется эвтектическое превращение. В данном случае схема эвтектической реакции следующая:

Здесь и в дальнейшем, нижний индекс будет обозначать химический состав. После завершения эвтектического превращения, сплав II состоит из эвтектики, представляющий механическую смесь чистых компонентов A и B, такая структура сохраняется до комнатной температуры. Такой сплав II называется эвтектическим. Как видно этот сплав отличается самой низкой температурой кристаллизации. Кривая охлаждения для эвтектического сплава II будет иметь вид.

Сплав I выше точки 1 находится в жидком расплавленном состоянии. В точке 1 начинается процесс кристаллизации. При этом из жидкости начинают появляется кристаллы чистого компонента A. По мере уменьшения температуры доля этих кристаллов нарастает, а относительное количество жидкого расплава уменьшается. Долю жидкой и твёрдой фазы можно определить с помощью правила отрезков. При температуреl в данном сплаве будет:доле твёрдой фазы, а отношениедоле жидкой фазы. При этом химический состав жидкой фазы определяется проекцией точки n. В точке 2, на линии FEG, количество жидкой фазы:. А количество твёрдой фазы:. При этом химический состав жидкой фазы определяется проекцией точки E, т.е. эвтектический состав. То есть в результате выпадения из жидкого расплава A, этот расплав объединяется, то есть обогащается компонентом B. При указанной температуре, то есть на линии FG, оставаясь жидкостью эвтектического состава, претерпевает эвтектическое превращение (1). После завершения эвтектического превращения, сплав 1 будет состоять из зёрен чистого компонента A и эвтектики.

Кривая охлаждения для сплава I будет иметь вид:

Сплавы типа I называют до эвтектическими. После затвердевания они состоят из зёрен эвтектики и чистого компонента A. Чем ближе этот состав к эвтектики, тем больше в его составе зёрен эвтектики. Чем дальше от эвтектики, тем меньше эвтектики, тем больше чистого компонента A.

Сплав III кристаллизуется аналогично сплаву I, стой лишь разницей, что выпадает чистый компонент не A, а B. В результате этого процесса жидкий расплав объединяет A и B, и в точке 4 состав этого расплава превращается в эвтектику. В точке 4 этот расплав превращается в эвтектику по средствам реакции (1). Таким образом после завершения эвтектического превращения сплав III будет состоять из зёрен чистого компонента B и эвтектики. Сплавы типа III называют за эвтектическими.

Как видно из анализа диаграмм, сплавы любого состава завершают свою кристаллизацию на линии FG посредством образования эвтектики из жидкого расплава. Эту горизонтальную линию FG принято называть линией эвтектического превращения. В этом частном случае совпадает с линией солидус.