§ 9. Диаграмма состояния двойной системы с неограниченной растворимостью компонентов в жидкой и твердой фазах

Эта диаграмма состояния имеет очень простой вид (рис. 13). В ней имеются всего три фазовые области. При высоких температурах существует однородный жидкий раствор, обозначенный Ж, при низких температурах - однородный твердый раствор α. Имеется также промежуточная двухфазная область, обозначенная Ж+α, разделяющая однофазные области.

Твердым раствором называют фазу с решеткой компонента А, в которой часть узлов занята атомами другого компонента В. В данном случае компоненты А и В обладают одним типом кристаллической решетки, в узлах которых могут размещаться атомы обоих компонентов в любых соотношениях - от 0 до 100%. Подобные твердые растворы, где атомы компонентов замещают друг друга, называют растворами замещения.

Рассмотрим превращения, которые будут происходить со сплавом состава 1 при охлаждении с температуры t₀. Для этого проведем ординату из точки 1 на оси составов до t₀ и проследим, через какие фазовые области будет проходить точка, изображающая охлаждающийся сплав 1, при движении сверху вниз от t₀ до нулевого значения температуры. Такую мысленно подвижную точку называют фигуративной. При температурах от t₀ до t₃ точка оказывается в однофазной области жидкого раствора Ж, следовательно сплав 1 будет в жидком однофазном состоянии. При температуре t₃ фигуративная точка попадает в двухфазную область, где сосуществуют Ж - жидкий раствор и α-твердый раствор. Следовательно, при t₃ сплав 1 начнет кристаллизоваться, в нем появится твердая фаза. Поскольку теперь в сплаве имеются две фазы, а сплав двухкомпонентный, то по правилу фаз число степеней свободы будет равно С = 2-2+1 = 1. Это означает, что в отличие от чистых компонентов сплав 1 сохраняет двухфазное состояние при изменении температуры, т. е. он кристаллизуется в интервале температур. На диаграмме этот интервал определяется шириной двухфазной области Ж+α при данном составе.

Рис. 13. Диаграмма состояния двойной системы с неограниченной растворимостью компонентов в твердой и жидкой фазах

Кристаллизация сплава 1 закончится при температуре t₅, когда фигуративная точка выйдет из двухфазной области и окажется в однофазной области твердого раствора ос. После этого никаких фазовых изменений в сплаве 1 не будет вплоть до полного охлаждения. На кривой охлаждения сплава 1 при t₃ возникает перегиб из-за того, что начинается кристаллизация, и падение температуры с этого момента замедляется, поскольку от образца теперь отводится не только теплота, определяемая теплоемкостью, но и теплота кристаллизации. При t₅ кристаллизация заканчивается, и падение температуры вновь ускоряется, поэтому при t₅ на кривой охлаждения возникает еще один перегиб.

Сплав 2 будет испытывать точно такие же превращения, как и сплав У, но он начнет кристаллизоваться при t₁, а закончит - при t₂.

Очевидно, что описанная схема кристаллизации присуща всем сплавам данной системы. Линия, разделяющая фазовые области Ж и Ж+α, является линией начала кристаллизации сплавов и называется линией ликвидуса. Линия, разделяющая фазовые области Ж+α и α, является линией конца кристаллизации сплавов и называется линией солидуса.

Рассмотрим более подробно ход кристаллизации сплава Кристаллизация, как указывалось, начинается при t₃. При этой температуре из жидкости, находящейся в точке 1_Ж на кривой ликвидуса, появляется бесконечно, малое количество твердой фазы, состояние которой изображается точкой 1_ТВ. Как видно на рис. 13, точка 1_ТВ находится на кривой солидуса на пересечении с горизонтальной прямой, соответствующей температуре t₃, т. е. первые кристаллы резко отличаются от среднего состава сплава 1. Они обогащены тугоплавким компонентом. Дальнейшее понижение температуры не вызывает изменения числа фаз, пока сплав находится в двухфазной области Ж+α, однако состав фаз и их соотношение непрерывно меняются. Состояние жидкости описывается участком линии ликвидуса от точки 1_Ж до точки 1"_Ж, а состояние кристаллов - участком линии солидуса от 1_ТВ до 1"_ТВ. Твердая фаза по ходу кристаллизации непрерывно обогащается легкоплавким компонентом, состав кристаллов меняется от d к точке 1, т. е. непрерывно приближается к среднему составу сплава 1. Жидкость, напротив, непрерывно удаляется по составу от исходного сплава, обогащаясь легкоплавким компонентом до точки а. Это происходит при температуре t₅, когда в сплаве 1 заканчивается кристаллизация, и он оказывается однофазным твердым α-раствором.

Таким образом, по диаграмме состояния можно определить состав твердой и жидкой фаз при любой температуре в ходе кристаллизации.

Диаграмма состояния позволяет также определять количества каждой из фаз по так называемому правилу отрезков или правилу рычага. Как видно на рис. 13, при t₄ в сплаве 1 имеется жидкость, состояние которой описывается точкой 1'_Ж, и кристаллы, описываемые точкой 1'_ТВ. Жидкость имеет состав, соответствующий точке b, кристаллы имеют состав точки с. Если принять общую массу всего сплава за 1, а массовую долю кристаллов за х, то доля жидкости будет 1-х. Напишем уравнение материального баланса компонента В в обеих фазах. Всего количество (масса) компонента В в сплаве 1 равно отношению отрезков 1А/АВ. В кристаллах компонента В будет содержаться х(сА/АВ), в жидкости - (1-х)х(сА/АВ). Следовательно, 1А/АВ = х(сА/АВ) + (1-х) (bА/АВ). Отсюда получаем: х = 1b/bc, а 1-х = 1с/bс. Таким образом, чтобы найти количество сосуществующих фаз на диаграмме состояния двойной системы при заданной температуре, надо провести линию в двухфазной области, соединяющую точки, соответствующие данным фазам, и тогда отношение отрезка между точкой среднего состава сплава и одной фазы ко всей длине линии будет изображать количество другой фазы.

Рассматривая состояние любого сплава в данной системе при температуре, когда он находится в двухфазной области, необходимо иметь в виду, что двухфазное состояние сплава будет стабильным и количество каждой фазы и их состав будут неизменными сколь угодно длительное время, если температура поддерживается постоянной.

Изменения фазового состава сплавов могут происходить строго по описанной схеме только при условии, что во всем объеме сплава температура в любой момент времени совершенно одинакова, а каждая из фаз имеет совершенно однородный состав. Такое условие может быть выполнено лишь при бесконечно малой скорости охлаждения. В реальной обстановке охлаждение происходит с достаточно большой скоростью, поэтому в сплавах рассматриваемого типа в ходе кристаллизации не в полной мере успевают проходить диффузионные процессы, которые должны обеспечивать постоянство состава во всем объеме жидкости и кристаллов. Следствием этого отставания является дендритная ликвация - микронеоднородность состава в пределах одного кристалла. При неравновесных условиях кристаллы в металлах растут не в виде многогранников, а в виде дендритов - древовидных образований. Стволы и оси дендритов вырастают первыми и оказываются сложенными из более тугоплавкого материала (примерно состава cd' для сплава 1 по рис. 13, а промежутки между осями дендритов заполняются более легкоплавкой жидкостью, которая затем кристаллизуется (составы аb на рис. 13). По окончании кристаллизации это различие в составе осей дендритов и промежутков между осями не исчезает и может быть выявлено (рис. 14).

Рис. 14. Микроструктура литого сплава медь - олово с выявленными дендритами. x100

Диаграмма состояния, изображенная на рис. 13, характерна тем, что температуры начала кристаллизации всех сплавов лежат между температурами кристаллизации чистых компонентов, и увеличение содержания тугоплавкого компонента вызывает повышение температуры начала кристаллизации сплавов, а повышение содержания легкоплавкого компонента оказывает противоположное влияние. Встречаются разновидности этого типа диаграмм состояния. В некоторых случаях температуры начала и конца плавления сплавов понижаются при добавлении второго компонента как к тугоплавкому, так и легкоплавкому компоненту (рис. 15, а). С помощью правила фаз можно доказать, что в этом случае линия ликвидуса должна коснуться линии солидуса в единственной точке, которая должна быть точкой минимума на обеих кривых. Сплав, соответствующий точке минимума, кристаллизуется при постоянной температуре подобно чистому компоненту. Встречается противоположный случай, когда кривые ликвидуса и солидуса имеют максимум, который является для них единственной общей точкой касания (рис. 15, б). Сплав, соответствующий максимуму, также кристаллизуется как чистый компонент.

Рис. 15. Диаграмма состояния с .минимумом (а) и максимумом (б) на кривых солидуса и ликвидуса