Диаграммы состояния I типа

Категория:
Сплавы


Диаграммы состояния I типа

Диаграммы состояния I типа характеризуют системы, компоненты которых в жидком состоянии полностью взаимно растворяются, а в твердом состоянии образуют механическую смесь кристаллов обоих компонентов.

Построение диаграммы состояния I типа разберем на примере системы сплавов свинец — сурьма (Pb—Sb). К системе сплавов свинец — сурьма относятся все составы между чистым свинцом (100% РЬ) и чистой сурьмой (100% Sb).

Чтобы не делать наблюдений над всеми составами сплавов, ограничимся анализом лишь шести сплавов данной системы с содержанием сурьмы 5, 10, 13,.20, 40 и 80%. Если нагреть каждый из этих сплавов до полного расплавления и с помощью пирометра и счетчика времени зафиксировать процесс их охлаждения, то по полученным данным можно построить кривые, приведенные на рис. 1. Перегибы и горизонтальные участки кривых характеризуют замедление или остановки падения температуры сплавов при равномерном охлаждении и показывают наличие критических точек при данных температурах.

Рис. 1. Кривые охлаждения сплавов свинец — сурьма: а — 5%§Ы б – 10% Sb; в — 13% Sb; г — 20% Sb; д — 40% Sb; е — 80% Sb

Пять из приведенных кривых показывают наличие двух критических точек для взятых сплавов при затвердевании, и только одна кривая, соответствующая сплаву с содержанием 13% Sb, имеет одну критическую точку 246°. Верхние критические точки соответствуют началу перехода сплавов из жидкого состояния в твердое, нижние — окончательному затвердеванию.

Для построения диаграммы состояния сплавов свинец — сурьма отметим в масштабе по горизонтали точки взятых нами сплавов, принимая, что слева будет чистый свинец, а справа — чистая сурьма (рис. 2). По вертикали разметим шкалу температуры и отложим критические температуры указанных сплавов. Свинец имеет температуру плавления 327°, сурьма 630°. Соединяя нижние критические точки, получим прямую DE, а соединяя верхние точки —две кривые АВ и ВС, сходящиеся в точке В с прямой DE.

Построенная диаграмма показывает, что начало затвердевания различных сплавов системы происходит при различных температурах, а окончание затвердевания — при одной определенной температуре для всей данной системы сплавов, и что один сплав (13% Sb) имеет, как и чистые.металлы, только одну критическую точку В, в которой происходит его. полное затвердевание.

Рис. 2. Диаграмма состояния системы сплавов Pb—Sb

Выше линии ABC все сплавы находятся в жидком состоянии. Линия ABC называется линией ликвидуса1. Ниже линии DBE все сплавы находятся в твердом состоянии. Линия DBE называется линией сблидуса.

Проследим процесс кристаллизации сплавов данной системы и получающуюся в результате структуру.

В точке В при содержании 13% Sb, 87% Pb и при температуре 246э кристаллизация свинца и сурьмы происходит одновременно; образуется тонкая механическая смесь кристаллов свинца и сурьмы (двух фаз). Эта смесь называется эвтектикой3, а сплав соответствующего состава — эвтектическим. Эвтектический сплав имеет самую низкую температуру плавления из всех сплавов данной системы. Схема микроструктуры эвтектического сплава свинец — сурьма приведена на рис. 56. Здесь мы видим черточки кристаллов сурьмы на фоне участков кристаллов свинца.

Сплавы, содержащие меньше 13% Sb, называются доэвтектическими, а содержащие больше 13% Sb — заэвтектическими.

Доэвтектический сплав, содержащий 5% Sb, выше первой критической точки ах (рис. 3) находится в жидком состоянии. При охлаждении в точке ах из жидкого раствора выпадают центры кристаллизации (центрами кристаллизации называют мельчайшие частицы, зарождающиеся в жидком растворе или твердом металле) чистого свинца, так как свинец в этом сплаве находится в количестве избыточном по сравнению с эвтектическим составом. При дальнейшем охлаждении между точками ах и Ьх продолжается рост имеющихся кристаллов свинца и выпадение новых, поэтому количество свинца в жидком (маточном) растворе постепенно уменьшается, и около точки маточный раствор имеет эвтектический состав. Во второй критической точке Ьх при температуре 246° происходит кристаллизация всего оставшегося маточного раствора эвтектического состава. Ниже точки сплав находится в твердом состоянии и представляет смесь кристаллов избыточного свинца и эвтектики (рис. 5).

Рис. 3. Схема микроструктуры заэвтектического сплава Pb—Sb

Рис. 4. Схема микроструктуры эвтектического сплава Pb—Sb

Рис. 5. Схема микроструктуры доэвтекти-ческого сплава Pb—Sb

Аналогична идет процесс кристаллизации зазвтектических сплавов. Сплав, содержащий 40% Sb, выше первой критической точки а2 находится в жидком состоянии. При охлаждении в точке а2 из жидкого раствора выпадают центры кристаллизации чистой сурьмы. При дальнейшем охлаждении между точками а2 и Ь2 продолжается рост имеющихся кристаллов сурьмы и выпадение новых, поэтому количество сурьмы в маточном растворе постепенно уменьшается, и около точки Ь2 маточный раствор имеет эвтектический состав. Во второй критической точке Ь2 при температуре 246° происходит кристаллизация всего оставшегося маточного раствора эвтектического состава. Ниже точки Ь2 сплав находится в твердом состоянии и содержит смесь кристаллов сурьмы и эвтектики (рис. 6).

Обобщая изложенное применительно ко всей системе сплавов свинец — сурьма, отметим следующее:
а) по линии А В диаграммы начинается выпадение кристаллов свинца;
б) в области диаграммы ABD находятся кристаллы свинца и жидкий раствор, концентрация которого около линии BD приближается к эвтектической;
в) по линии BD затвердевает весь оставшийся маточный раствор эвтектического состава;
г) ниже линии BD находятся твердые доэвтектические сплавы, состоящие из кристаллов свинца и эвтектики;
д) по линии ВС начин-ается выпадение кристаллов сурьмы;
е) в области диаграммы СВЕ находятся кристаллы сурьмы и жидкий раствор, концентрация которого около линии BE приближается к эвтектической;
ж) по линии BE затвердевает весь оставшийся маточный раствор эвтектического состава;
з) ниже линии BE находятся твердые заэвтектические сплавы, состоящие из кристаллов сурьмы и эвтектики.

При нагревании сплавов вначале по линии солидуса (DE) расплавляется эвтектика, в которой при дальнейшем нагревании постепенно растворяются кристаллы свинца (у доэвтектических сплавов) или сурьмы (у заэвтектических сплавов); растворение заканчивается по линии ликвидуса (ABC), выше которой находятся жидкие растворы системы сплавов.

Если доэвтектический сплав свинец — сурьма охлаждать медленно, то образующиеся кристаллы свинца, будучи тяжелее маточного раствора, станут опускаться вниз и скапливаться на дне тигля. В затвердевшем таким образом слитке эвтектика будет сосредоточена в верхней части, а свинец — в нижней. При затвердевании заэвтектических сплавов выпадающие кристаллы сурьмы окажутся легче маточного раствора и будут всплывать вверх, поэтому в слитке эвтектика окажется внизу, а чистая сурьма — наверху. Это явление носит название ликвации по удельному весу.

В результате ликвации по удельному весу получаются слитки, неоднородные по составу, структуре и свойствам в различных частях и поэтому непригодные для изделий. Для предотвращения ликвации охлаждение сплавов следует вести быстрее, чтобы кристаллы не успевали всплывать или погружаться.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум