Диаграмма состояния двойных сплавов и возможности термической обработки (методические указания для лабораторных работ)

Л.П.Кочеткова

Киров, 2004 г.

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение фазового и структурного состава сплава в зависимости от температуры и концентрации.

Зная диаграмму, можно представить полную картину формирования структуры любого сплава, определить температуру плавления и кристаллизации сплава, оценить жидкотекучесть выбранного сплава, сделать заключение о возможности и условиях обработки сплава давлением. Диаграммы состояния позволяют определить режим термической обработки, необходимый для конкретного сплава. Диаграмму состояний строят в двух измерениях: по оси ординат откладывается температура, по оси абсцисс – концентрация (рис.1).

Для построения Диаграммы состояний необходимо экспериментально определить критические точки (температуры фазовых превращений) как для чистых компонентов А и В, так и для сплавов различных концентраций. Чтобы установить критические точки необходимо:

- приготовить ряд сплавов, например, I, II, III, IV, V, состав которых отмечен на рис.1 ( в данном случае I и V являются чистыми компонентами системы А и В);

- расплавить сплавы и провести их медленное охлаждение, фиксируя зависимость понижения температуры от времени охлаждения;

- построить кривые охлаждения каждого сплава;

- по перегибам и остановкам на кривых охлаждения определить критические температуры, при которых происходят фазовые превращения.

Далее следует перенести полученные критические точки на ординаты соответствующих сплавов (рис.1).

Соединив точки, имеющие одинаковую физическую сущность, получим диаграмму состояния сплавов компонентов А и В.

На диаграмме верхнюю линию как геометрическое место критических точек, при которых начинается процесс первичной кристаллизации, называют линией ликвидус. Выше этой линии сплавы находятся в жидком состоянии. Нижнюю линию как геометрическое место критических точек, при которых заканчивается процесс первичной кристаллизации, называют линией солидус. Между линиями ликвидус и солидус часть сплава существует в жидком состоянии, часть сплава – в твердом состоянии.

Строение (структура) металлических сплавов зависит от того, в какие взаимодействия вступают компоненты при их плавлении и кристаллизации. Элементы, обладающие взаимной растворимостью в жидком состоянии, в результате совместной кристаллизации могут по-разному взаимодействовать, образуя при этом в твердом состоянии твердые растворы, механические смеси или химические соединения.

В каждом случае диаграмма состояния сплавов будет иметь свой особый вид.

Рассмотрим типовые примеры диаграмм состояния двойных сплавов, обращая особое внимание на превращения в твердом состоянии.

1. диаграмма состояния сплавов, компоненты которых полностью растворимы в жидком и твердом состояниях (Ni-Cu, Ag-Au, Mo-W, Mo-V и др.)

Полная взаимная растворимость в твердом состоянии возможна тогда, когда оба компонента имеют одинаковый тип кристаллической решетки и атомные диаметры компонентов мало отличаются по размерам. Такая диаграмма (рис.2) состоит из двух линий – ликвидус и солидус. ликвидус и солидус пересекаются между собой в точках кристаллизаций чистых компонентов А и В (А′ - это температура плавления – кристаллизации компонента А; В′ - температура плавления - кристаллизации компонента В). Все сплавы затвердевают в интервале температур.

Для анализа данной Диаграммы достаточно рассмотреть один (любой) сплав. Рассмотрим для примера сплав 1, содержащий 40% А и 60% В. Выше точки 1 сплав находится в жидком состоянии. процесс кристаллизации начинается при температуре t1. Проведя изотерму, определим, что из жидкости выпадают кристаллы α-твердого раствора концентрации точки 1′ (5%А+95% В). При температуре 2 выпадают кристаллы α-твердого раствора, концентрация которых определяется проекцией 2′ на ось концентрации (30% А + 70% В), а оставшийся жидкий сплав имеет состав точки 2′′ (83%А + 17% В). При температуре 3 процесс кристаллизации закончится, сплав полностью затвердеет. Таким образом, для выбранного сплава концентрация α-твердой фазы изменяется по линии солидус от точки 1′ до 3, а жидкой фазы – по линии ликвидуса от точки 1 до точки 3′′.

При медленном охлаждении сплава успевают пройти процессы диффузии, благодаря чему состав всех выпавших кристаллов α-твердого раствора выравнивается, стремясь к исходному (50% А + 50% В). После медленного охлаждения сплав 1 (как и все другие сплавы этой системы) будет иметь однородную зернистую структуру, состоящую из кристаллов α-твердого раствора

Реальные Диаграммы состояния