5.2.2.Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии

Такая диаграмма состояния характерна для сплавов, состоящих из компонентов, имеющих неограниченную растворимость и в жидком и в твердом состояниях, т.е. тех, которые, в твердом состоянии растворяются один в другом в любой пропорции и образуют неограниченные твердые растворы. Компоненты их имеют одинаковые по типу и близкие по параметрам кристаллические решётки и небольшое различие в атомных размерах.

Рассмотрим диаграмму состояния, в которой компоненты образуют неограниченные твердые растворы (рис. 5.3).

В процессе кристаллизации таких сплавов из жидкого раствора выделяются кристаллы твердого раствора. После полного затвердевания структура сплава должна быть однофазной, т. е. состоять из кристаллов одного твердого раствора. Следовательно, в процесс кристаллизации сплавов такой системы нигде не будет трех фаз. Это означает в соответствии с правилом фаз, что на кривых охлаждения таких сплавов не будет остановок (площадок), а на диаграмме не будет линий, параллельных оси состава. Действительно, эксперименты показывают, что для сплавов, образующих твердый раствор, кривые охлаждения имеют вид, показанный на рис.5.3. При охлаждении до температуры t^o_l сплав находится в жидком состоянии (одна фаза). Температура t^o_l (ликвидуса) соответствует началу выделения из жидкого сплава кристаллов твердого раствора одного компонента в другом. Кристаллизация твердого раствора происходит до температуры t^o_s (солидуса).

В интервале температур t^o_l-t^o_s существуют одновременно две фазы (жидкая и твердая). При температуре t^o_s сплав полностью затвердевает и состоит только из кристаллов твердого раствора (одна фаза). Схематически структура такого сплава показана на рис.5.4 , т. е. она состоит из совершенно однородных и одинаковых по составу зерен и похожа на структуру чистых металлов. Температуры ликвидуса и солидуса в случае образования твердых растворов зависят от состава сплава. Чем больше в сплаве тугоплавкого компонента, т. е. имеющего более высокую температуру плавления, тем выше у этого сплава температуры ликвидуса и солидуса.

Рассмотрим сплавы из двух компонентов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии, кривые охлаждения которых представлены на рис.5.3,а. Если критические точки ликвидус и солидус, по­лученные для сплавов данной системы (дающей твердые растворы при любом составе сплава), изобразить в координатах температура-состав и соединить в линии ликвидуса и солидуса, то получим диаграмму состояния (рис. 5.3,б).

На этой диаграмме линия MEN - линия ликвидуса, т.е. линия температуры начала затвердевания сплавов этой системы при охлаждении (при нагреве эта линия соответствует температурам конца плавления этих сплавов).

Линия MCN - линия солидуса или линия температуры конца затвердевания сплавов этой системы при охлаждении (при нагреве эта линия соответствует температурам начала плавления этих сплавов).

Для лучшего понимания диаграммы (рис.5.3) рассмотрим кристаллизацию какого-либо сплава данной системы, например, 1-1, кривая охлаждения которого показана на рис. 5.3,а.

До температуры t^o_l (ликвидус) сплав находится в жидком состоянии. При температуре t^o_l начинается кристаллизация сплава. По правилу фаз число степеней свободы будет равно 1: С = 2+ 1-2, так как компонентов два: А и В, фаз тоже две - жидкая и твердый раствор. Следовательно, кристаллизация происходит в интервале температур и при изменении состава фаз. Действительно, из жидкого сплава состава точки 1 выделяются кристаллы твердого раствора, состав которых соответствует точке С. При понижении температуры кристаллы твердого раствора продолжают выделяться, при этом состав их меняется по линии солидуса. Так, при t^o_l в равновесии с жидкостью будут находиться кристаллы, состав которых определяется точкой n, ,при t⁰₂ - кристаллы состава, соответствующего точке m, наконец, при t⁰_s - последние кристаллы твердого раствора будут иметь состав, отвечающий точке k.

Одновременно с изменением состава кристаллов происходит изменение состава жидкости. При понижении температуры состав ее меняется по линии ликвидуса от точки l до точки а. Следовательно, происходит перераспределение атомов металлов А и В между жидким расплавом и твердым раствором.

Обратим внимание на то, что в соответствии с диаграммой во всем интервале температур кристаллизации (t^o_l-t^o_s) выделяются кристаллы, более богатые тугоплавким компонентом В, чем исходный сплав; в исходном сплаве 1-1 содержится 50 % В, а в кристаллах при t^o_l -88% В (точка р), при t⁰₁ -72% В (точка n), при t⁰₂ -68 % В (точка m).

В условиях равновесия к концу затвердевания все кристаллы должны быть однородны и иметь одинаковый состав; соответствующий точке А (50% А и 50% В) Это означает; что все кристаллы иного состава, образующиеся в процессе кристаллизации (точки р, n, m должны принять состав исходного сплава, т. е. отвечающий точке k.

Как же это происходит? Выравнивание состава кристаллов осуществляется путем диффузии, т. е. проникновения в эти кристаллы атомов компонента А из жидкого сплава (более богатого компонентом А) в уже имеющиеся кристаллы твердого раствора.

Поскольку диффузия из жидкой фазы идет быстрее, она в основном и предопределяет выравнивание состава кристаллов твердого раствора во время кристаллизации. Частично состав кристаллов выравнивается вследствие внутрикристаллической диффузии, т. е. за счет диффузии более тугоплавкого компонента из внутренних частей кристаллов, образовавшихся при более высокой температуре, к периферийным, образовавшимся позднее (при более низкой температуре) и содержащим меньше тугоплавкого компонента; по достижении температуры t⁰_s сплав полностью затвердевает. При более низких температурах сплав будет состоять из кристаллов однородного твердого раствора.

Подобно описанному происходит процесс кристаллизации любого сплава данной системы.

Неограниченные твердые растворы дают следующие пары: Cu-Ni; Au-Ag;Au-Pb; Ре- Ni; Fe-Cr; Fe-Go; Fe-V и др.