2.4. Диаграммы состояния для сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твёрдом состоянии.

Растворимые сплавы, компоненты которых A и B в жидком состоянии неограниченно растворимы друг в друге, а в твёрдом состоянии растворяются друг в друге ограниченно, образуя ограниченные твёрдые растворы: A(B)=α, B(A)=β. Для таких сплавов возможны два типа диаграмм состояний: диаграмма с эвтектикой и перитектикой. Диаграмма с эвтектикой выглядит следующим образом.

На этой диаграмме линия CED – линия ликвидус. Линия CFGD – линия солидус. Горизонтальная линия FG – является линией эвтектического превращения. При температурах соответствующей этой линии, наблюдается эвтектическое превращение, соответствующая схема которого следующая: .

Жидкий расплав состава точки E при T=const превращается в механическую смесь кристаллов α – фазы состава точки F и кристаллов β – фазы состава точки G (α - ограниченный раствор A(B), β – ограниченный раствор B(A)). Такую механическую смесь называют эвтектикой. Линия FQ – показывает изменение с температурой, придельную растворимость компонента B в компоненте A. Как видно из диаграммы, с уменьшением температуры растворимость компонента B в α – фазе уменьшается. Линия GR показывает изменение с температурой придельной растворимости компонента A в β – фазе. Поскольку эта линия вертикальная это означает, что растворимость компонента A в β – фазе не меняется.

Рассмотрим процесс затвердевания трёх сплавов различного состава (I, II, III).

Сплав I выше точки 1 в жидком расплавленном состоянии. В точке 1 начинается процесс кристаллизации. При этом в жидком расплаве появляются зародыши кристаллов α - фазы. По мере уменьшения температуры от точки 1 до точки 2 доля кристаллов α – фазы нарастает, а доля жидкого расплава уменьшается. В точке 2 процесс кристаллизации завершается полным превращением жидкости в твёрдые кристаллы α – фазы. В интервале температур от 2 до 1, сплав состоит только из кристаллов α – фазы. В точке 3 растворимость компонента B в α – фазе достигает своего придельного значения, поэтому ниже точки 3 компонентB становится избыточным в α – фазе и начинает выделяться из неё, при этом образуются кристаллы β – фазы, которой называют вторичной, в отличии от первичной, образующейся из жидкого расплава. Её обозначают β_II. По сути эта та же β – фаза, но отличается своим происхождением. Ниже точки 3 сплав I будет состоять из зёрен α – фазы с вкраплениями кристаллов вторичной β – фазы.

СплавII начинает кристаллизоваться в точке 4 с выпадением из жидкости твёрдой α - фазы. По мере уменьшения температуры от точки 1 до точки 5 количество кристаллов α – фазы нарастает, а доля жидкости уменьшается, при этом изменяется химический состав жидкой и твёрдой фазы, за счёт перераспределения компонентов. В точке 5 жидкий расплав будет иметь химический состав, соответствующий точке E, т.е. эвтектический. Эта жидкость, при указанной температуре превращается в эвтектику по схеме (2). В данном случае эвтектика представляет собой механическую смесь α и β – фаз. После завершения эвтектического превращения, сплав II будет состоять из состава точки F и эвтектики, представляющий собой механическую смесь кристаллов α – фазы состава точки F и β – фазы сплава точки G. Ниже точки 5 наблюдается уменьшение растворимости компонента B в α – фазе. Поэтому избыточный компонент B из α – фазы выделяется и образует кристаллы вторичного компонента B. Эти кристаллы наблюдаются только в зёрнах α – фазы. Вторичная же β – фазы образовавшаяся из кристаллов фазы эвтектики объединяется с β – фазой эвтектики и поэтому структурно не обособляется и не обнаруживается. Кривая охлаждения для сплава II выглядит следующим образом.

Сплав III кристаллизуется аналогично сплаву II, с той лишь разницей, что сначала из жидкости выпадают кристаллы β – фазы, а не α – фазы. Кристаллизация также завершается образованием эвтектики по схеме (2). Поэтому ниже линии эвтектического превращения этот сплав состоит из зёрен β – фазы и эвтектики. В данном случае выделение вторичной α – фазы не наблюдается, потому что раствор компонента A с уменьшением температуры не меняется.

Диаграмма с перитектикой выглядит следующим образом.

Линия CED – является линией ликвидус. Линия CBFD – линия солидус. Горизонтальная линия EF – линия перитектического превращения.

Перитектическим превращением называется такое превращение, когда при взаимодействии жидкого расплава с твёрдой фазой образуется другая твёрдая фаза. В данном случае, схема перитектического превращения может быть записана следующим образом: . То есть жидкий расплав состава точкиE взаимодействует с фазой состава точкиF и при этом образуется фаза состава точкиE.

Перитектическая реакция, также как и эвтектическая, идёт при постоянной температуре. Для образования фазы из жидкости ифазы перитектической реакции, необходимо чтобы соблюдалось следующее соотношение фаз: отношение жидкой кфазе, должно быть таким же как отношение отрезка.

Рассмотрим процесс затвердевания двух сплавов различного состава (I и II). Сплав I начинает кристаллизоваться в точке 1 с выпадением из жидкого расплава кристаллов фазы. По мере уменьшения температуры от точки 1 до точки 2 доля этих кристаллов нарастает, а относительное количество жидкой фазы уменьшается. При этом изменяется химический состав обеих фаз, так что они обогащаются компонентомA (можно определить с помощью правила отрезков). В точке 2 сплав будет состоять из жидкого расплава состава точки E и фазы точкиF. При этом соотношение жидкой и твёрдой фазы будет равно отношению отрезков . При указанной температуре, т.е. в точке 2, будет происходить перитектическое превращение по схеме (3). Однако в данном случае отношение, т.е. наблюдается избытокфазы по сравнению с жидкой фазой. В результате после перитектического превращения наряду сфазой, в сплаве наблюдается избыточнаяфаза. Ниже токи 2, и вплоть до комнатной температуры, сплав состоит из зёренфазы ифазы.

Если состав сплава соответствует точкеP или H, то тогда в перитектической реакции соотношение жидкой и твёрдой фазы точно равно . В результате после перитектического превращения наблюдается толькофаза образованная из жидкой ифазы.

Сплав II начинает кристаллизоваться в точке 3 также с выпадением из жидкой фазы кристаллов фазы. По мере уменьшения температуры от точки 3 до точки 4, доля кристаллов нарастает, а жидкости уменьшается. Изменяется и химический состав. В точке 4 сплав будет состоять из жидкой фазы состава точкиE и фазы на линииF. Причём отношение жидкой фазы к твёрдой фазе , таким образом, наблюдается избыток жидкой фазы необходимый для перитектической фазы.

Врезультате после перитектического превращения сплав будет состоять не только из кристалловфазы и этой избыточной жидкости. В диапазоне температур от точки 4 до точки 5 наблюдается кристаллизация этой жидкости с образованиемфазы. Ниже точки 5 сплав будет состоять только из кристалловфазы. Кривая охлаждения для сплаваII будет выглядеть следующим образом.

Сплавы расположенные левее точки E не испытывают перитектического превращения. Они кристаллизуются сразу в фазы. Сплавы располагающиеся правее точки G тоже не испытывают перитектического превращения.