Материал: Potekhin - Metallovedeniye 2019

Электронный архив УГЛТУ

этот процесс проходит также при постоянной температуре, чему соответствует горизонтальный участок 2-2' на рис. 26, в.

Р

а

б

Рис. 27. Диаграмма состояния Pb – Sb – (а); микроструктура сплава Pb + 40% Sb – (б)

Кристаллизация сплава состава «b» (см. рис. 26, г) протекает по той же схеме, что и сплава «а», с той лишь разницей, что из жидкости с температурой ниже температуры ликвидуса (точка b1) начинают выделяться кристаллы сурьмы, а не свинца, и расплав по мере охлаждения до начала эвтектического превращения не обогащается сурьмой, а обедняется до 13 % Sb.

Точки начала кристаллизации сплавов данной системы (точки 1 на рис. 26) образуют линию ликвидус (АВС на рис. 27). Точки завершения кристаллизации (точки 2) формируют линию солидус (DВЕ на рис. 27, а).

Точка В, соответствующая минимальной температуре кристаллизации сплава, называется эвтектикой (от греческого слова «легкоплавкий»), а сплав с 13 % Sb – эвтектическим. Его структура в твердом состоянии представляет собой однородную механическую смесь кристаллов свинца и сурьмы.

34

Электронный архив УГЛТУ

Сплавы системы Pb – Sb подразделяют на три группы: доэвтектические (Sb менее 13 %), которые ниже температуры солидус состоят кри-

сталлов свинца и эвтектики; эвтектические (13 % Sb) и заэвтектические

(более 13 % Sb), которые состоят из кристаллов сурьмы и эвтектики. Правило отрезков. Пользуясь диаграммой состояния (рис. 27, а) для

любого сплава данной системы, при любой температуре можно определить:

фазовый состав; химический состав фаз; процентное соотношение

фаз.

Фаза – это однородная часть системы, отделенная от других частей системы поверхностью раздела, имеющая определенную структуру, химических состав, а при переходе через эту поверхность структура и/или со-

став изменяются скачкообразно.

Рассмотрим в качестве примера сплав состава «b» (Pb + 40 %Sb). Через точку b1 , соответствующую интересующей температуре (Т), проведем параллельную оси концентраций линию до пересечения с основными линиями диаграммы в точках m и n. Эти точки указывают фазовый состав сплава в точке b1 – жидкость и сурьма (L + Sb). Если из точек m и n опустить перпендикуляры на ось концентраций, то получим возможность определить химический состав жидкости – 20 % Sb. Количественное соотношение фаз определим из соотношений длин отрезков:

%L = ( b1 n / m n ) 100; %Sb = ( m b1 / m n ) 100.

Из формулы видно, что объемная доля расплава (L) по мере охлаждения уменьшается (увеличивается длина отрезка mn), достигая минимальной величины в точке В и превращаясь в эвтектику. Объемная доля кристаллов сурьмы при этом увеличивается (увеличивается длина отрезка mb1) от нуля до максимального на линии эвтектического превращения.

При комнатной температуре (точка b3) сплав состоит из двух фаз – Pb и Sb, а количество структурных составляющих (эвтектики и сурьмы) определяется из соотношения длин отрезков:

Ликвация. При некоторых условиях кристаллизации и охлаждения отливки из сплавов системы Pb – Sb могут получаться неоднородными.

Неоднородность по химическому составу называется ликвацией.

Ликвация проявляется в том, что при очень медленном охлаждении доэвтектических сплавов кристаллы свинца оседают на дно, так как они тяжелее расплава, а в заэвтектических сплавах выделяющиеся при кристаллизации кристаллы сурьмы, напротив, будут всплывать. Неоднородность сплавов данного типа называется ликвацией по удельному весу.

35

Электронный архив УГЛТУ

5.2. Диаграмма состояния второго типа

Диаграммы состояния второго типа характеризуют случаи, ко-

гда компоненты, образующие сплав, взаимно растворены неограниченно как в жидком, так и в твердом состоянии.

Такую систему, например, образуют медь и никель (рис. 28, 29). Чистые металлы как медь, так и никель, имеют кубическую гране-

центрированную кристаллическую решетку (ГЦК). Сплавы системы Cu–Ni имеют ту же кристаллическую решетку, но в узлах решетки сплава находятся и атомы (ионы) меди, и атомы никеля. То есть атомы растворяемого металла частично замещают атомы металла-растворителя, образуя так называемый твердый раствор замещения (в нашем случае это α- фаза).

Рис. 28. Диаграмма состояния Cu – Ni (а) и элементарная ячейка сплава (твердый раствор замещения, ГЦК) (б)

Рис.29. Искажение кристаллической решетки в твердых растворах замещения

36

Электронный архив УГЛТУ

Химический состав расплава (L) и α-фазы при температуре t соответствует проекциям точек m и n, соответственно, на ось концентраций. Правило отрезков позволяет найти процентное содержание фаз в точке «а» из соотношения отрезков:

%L = ( a n / m n ) 100; % α = ( a m / m n ) 100.

По мере понижения температуры доля расплава (L) уменьшается (длина отрезка «an» сокращается), а доля α-фазы увеличивается (длина отрезка «am» растет).

Ликвация в сплавах данного типа имеет иной характер.

Рассмотрим процесс кристаллизации сплава состава «а». В точке а образуется устойчивый зародыш α-фазы, имеющий химический состав n1. Этот зародыш растет при понижении температуры от t1 до t2 так, что поверхностные слои его будут иметь химический состав n2. Неоднородность образующегося кристалла по химическому составу называется внут-

рикристаллитной ликвацией.

Кристалл, образовавшийся при температуре t2, будет иметь на поверхности состав n2, а кристалл, образовавшийся при температуре t3, будет иметь состав n3 (n3<n2). Такая неоднородность структуры по химическому составу называется межкристаллитной ликвацией.

Реальные сплавы системы Cu – Ni нашли широкое применение. Например, сплав «мельхиор» (Ni + 20 % Cu) применяется для изготовления монет, художественных изделий. При добавке в мельхиор 5 10 % Sn получают сплав «нейзильбер», широко используется для изготовления столовых приборов, блестит как серебро.

5.3. Диаграмма состояния третьего типа

Диаграммы состояния третьего типа отличаются тем, что оба компонента образуют твердые растворы замещения с ограниченной растворимостью (α- и β-фазы).

На рис. 30 представлена левая часть диаграммы состояния Al – Cu. Точка D характеризует максимальную растворимость (5,7 %) меди в алюминии, которая наблюдается при температуре 548 ºС. При комнатной температуре в равновесных условиях алюминий может растворить медь в количестве только 0,5 % (точка F).

Любой сплав, содержащий до 5,7 % Cu, соответствующим нагревом можно перевести в однофазное состояние – α-твердый раствор замещения меди в алюминии с ГЦК решеткой. Это состояние можно зафиксировать быстрым охлаждением. Например, если сплав, содержащий 3 % Cu, нагреть до температуры 550 º С (точка Q на рис. 30), а затем резко охладить, то вся медь останется в решетке – α-твердого раствора. Такой

37

Электронный архив УГЛТУ

твердый раствор называется переохлажденным или пересыщенным. Полученное состояние неустойчиво, поэтому в твердом растворе идут изменения, приводящие к выделению из α - фазы частиц CuAl2 (интерметаллидное соединение). Этот процесс в сплавах Al – Cu идет при комнатной температуре и называется естественным старением. Повышение температуры активизирует процесс выделения интерметаллидных частиц, что составляет суть искусственного старения, при 200 ºС, например, приводящий к увеличению прочности алюминия в 2 – 4 раза.

Рис. 30. Диаграмма состояния Al – Cu

Сплавы на основе алюминия с 4 % Cu и добавкой Mg называются дюралюминием, «твердым алюминием», и эти сплавы из-за их легкости и прочности еще называют «крылатым металлом» и используют для обшивки фюзеляжей и крыльев всех гражданских, да и военных самолетов и вертолетов.

Правило отрезков в полной мере применимо к диаграммам данного типа по аналогии с предыдущими случаями.

38