§ 10. Диаграммы состояния двойной системы с неограниченной растворимостью компонентов в жидкой фазе и ограниченной растворимостью компонентов в твердых фазах

Диаграммы данного типа имеют два вида: с эвтектическим и с перитектическим превращениями.

Диаграмма с эвтектическим превращением

На диаграмме этого вида имеется область непрерывных жидких растворов одного компонента в другом, обозначенная на рис. 16 буквой Ж. Однако в твердом состоянии каждый из компонентов способен растворить лишь ограниченное количество другого. На диаграмме имеются области двух твердых растворов: на основе компонента А (обозначен α) и на основе В (обозначен β). В рассматриваемой диаграмме температуры плавления каждого из компонентов понижаются от добавок другого, и линии начала кристаллизации сплавов - линии ликвидуса - направлены вниз от точек плавления чистых компонентов t_A и t_B и пересекаются в точке Е', которая называется эвтектической.

Рис. 16. Диаграмма состояния двойной системы с эвтектическим превращением

Начало кристаллизации сплавов, находящихся между чистым компонентом А и составом Е, будет сопровождаться появлением кристаллов α-твердого раствора, состояние которых описывается участком линии солидуса tA-a'. В сплавах, лежащих между чистым компонентом В и составом начало кристаллизации выражается в появлении кристаллов β-твердого раствора. В обеих этих группах сплавов имеются составы, которые кристаллизуются точно так же, как и все сплавы, принадлежащие к описанной прежде системе с неограниченной растворимостью в жидкой и твердой фазах. В самом деле, сплавы, лежащие от А до а и от В до b по окончании кристаллизации, оказываются однородными твердыми растворами α и β соответственно, поскольку фигуративная точка, изображающая сплавы, пройдя двухфазную область Ж+α или Ж+β попадает в однофазные области α или β. Сплавы первого вида представляет сплав 1, который начнет кристаллизоваться при t₁ и полностью закристаллизуется при t₅. Сплавом второго вида является сплав 4, который кристаллизуется в интервале температур t₂-t₄.

В сплавах, лежащих между составами а - b, окончание кристаллизации будет существенно отличным от описанных случаев. Сплавы, лежащие от а до Е, как уже отмечалось, начнут кристаллизоваться путем появления кристаллов α-твердого раствора. Так, кристаллизация сплава 2 начнется при когда в жидкости 2_Ж появятся кристаллы α-раствора, описываемые точкой 2_ТВ. По мере снижения температуры состояние жидкости будет меняться по линии 2ЖЕ', а кристаллов - по линии 2_ТВа'. При этом количество α-кристаллов будет непрерывно нарастать, а жидкости уменьшаться. Когда температура достигнет t_E, количество кристаллов α-раствора будет равно 2'Е'/а'Е', а жидкости - a'2'/a'E'. До этого момента из жидкости выделялись только кристаллы α-раствора.

Таким образом, система состояла из двух фаз - жидкости Ж и кристаллов а и имела одну степень свободы С = К-Ф+1 = 2-2+1 = 1. Однако при температуре t_E кривая ликвидуса t_AE' пересекает кривую ликвидуса t_BE' в точке Е', и оставшаяся жидкость оказывается одновременно на обеих ветвях ликвидуса и из нее, кроме α-кристаллов, должны выпадать также и β-кристаллы. Следовательно, при температуре t_E из жидкости, описываемой точкой Е' и имеющей состав Е, должны выделяться одновременно два твердых раствора α и β. Теперь двухкомпонентная система оказывается состоящей из трех фаз, и правило фаз дает нулевую степень свободы С = К-Ф+1 = 2-3+1 = 0. Это означает, что жидкость, изображаемая точкой Е', должна кристаллизоваться при постоянной температуре. Такая жидкость появляется в ходе кристаллизации всех сплавов от а до b. Поэтому на кривых охлаждения всех этих сплавов имеется температурная остановка при t_E. Эта температурная остановка свидетельствует о кристаллизации жидкости, достигшей состояния Е' и имеющей состав Е. Во всех подобных сплавах кристаллизации этой жидкости предшествует выпадение кристаллов твердого раствора α (сплавы от а до Е) или твердого раствора β (сплавы от b до E). Исключение составляет лишь сам сплав состава Е, который кристаллизуется при t_E.

Описанное трехфазное превращение Ж →α+β, претерпеваемое жидкостью в точке Е', называется эвтектическим. Горизонтальная прямая линия, соединяющая точки а', Е', b', называется также эвтектической. Она отделяет двухфазную область, где сосуществуют два твердых раствора α и β от фазовых областей Ж+α, Ж+β и Ж. Слева и справа от этой двухфазной области расположены однофазные поля α- и β-растворов.

Рис. 17. Микроструктура сплава цинк - кадмий эвтектического состава. x600

Таким образом, сплавы, имеющие состав от точки а до точки b, после окончания кристаллизации имеют двухфазную α+β структуру. В структуре сплавов от а до E присутствуют первичные кристаллы α-твердого раствора и эвтектическая составляющая. Эти сплавы называются доэвтектическими. В структуре сплавов от b до E будут первичные кристаллы β-твердого раствора и та же самая эвтектическая структурная составляющая. Эти сплавы называют заэвтектическими. Поскольку первичные кристаллы растут достаточно свободно в жидкости, они имеют обычно крупные размеры и, как правило, дендритную форму. Эвтектическая составляющая представляет собой смесь двух видов кристаллов - α и β. Поскольку и те, и другие кристаллы растут одновременна, они не могут достичь больших размеров, и различить строение эвтектики можно лишь под микроскопом. Естественно, что в сплаве эвтектического состава Е никаких первичны к кристаллов не имеется, по структуре он представляет собой тонкую смесь двух фаз (α- и β-растворов), которая и называется эвтектикой (рис.17).

Количество фазовых составляющих в сплавах с эвтектическим превращением также можно определить по правилу рычага. Например, в сплаве 2 (см. рис. 16) к моменту окончания выпадения первичных кристаллов α-раствора их будет 2'Е'/а'Е', а жидкости а'2'/а'Е'. Вся эта жидкость, закристаллизовавшись, даст эвтектическую составляющую. В самой эвтектике количество α-фазы будет равно b'E'/a'b', а количество β-фазы а'Е'/а'b'. Вообще же в структуре сплава 2 после кристаллизации и охлаждения количество α-фазы будет составлять 2b/ab, а количество β-фазы a2/ab.

Диаграмма с перитектическим превращением

На диаграмме этого типа (рис. 18) имеется область непрерывных жидких растворов Ж, области твердых растворов α (на основе компонента А) и β (на основе компонента В), а также двухфазная область, где сосуществуют оба твердых раствора.

Рис. 18. Диаграмма состояния двойной системы с перитектическим превращением

Сплавы, составы которых находятся между компонентом А и точкой с, а также между компонентом В и точкой d, кристаллизуются так же, как сплавы в системе с неограниченной растворимостью в твердой и жидкой фазах. Так, фигуративные точки, изображающие сплавы 1 и 4, из области непрерывных жидких растворов попадают в двухфазные области Ж+α или Ж+β соответственно и затем в однофазные области α- или β-твердого раствора. Сплав 1 кристаллизуется в интервале температур t₅-t₇ сплав 4 - в интервале t₁-t₃.

В сплавах, составы которых находятся между точками с и d, сначала из жидкости появляются кристаллы β-твердого раствора. Например, сплав 3 начинает кристаллизоваться при температуре t₂, когда в нем появляются кристаллы, состояние которых описывается точкой 3_ТВ. По мере снижения температуры с t₂ до t_p состояние кристаллов будет изменяться по кривой 3_TBd', а состояние жидкости по линии 3_Жс'. При температуре t_p в жидкости состава с появляются кристаллы α-раствора, состояние которых описывается точкой Р'. Это происходит в результате реакции взаимодействия жидкости с выпавшими ранее β-кристаллами: Ж+β→α. Данное трехфазное превращение называется перитектическим. Горизонтальная прямая, соединяющая точки с' Р' и d' называется перитектической горизонталью.

Из правила фаз следует, что двухкомпонентная система, состоящая из трех фаз, имеет нулевую степень свободы, следовательно, кристаллизация сплавов на перитектической горизонтали происходит при постоянной температуре tp. Во всех сплавах, лежащих между точками с и d, на кривых охлаждения появляется площадка при температуре t_p. Однако в сплавах, составы которых находятся между точками Р и d, кристаллизация заканчивается при температуре t_p, а сплавы составов от с до Р продолжают кристаллизоваться в некотором интервале температур. В сплаве, имеющем состав Р, при температуре t_p количество жидкой фазы состава с до начала перитектического превращения выражается соотношением P'd'/c'd', а количество кристаллов β-раствора состава d - соотношением c'P'/c'd'. В процессе перитектического превращения в этом сплаве все кристаллы β-раствора, имеющие состав d, и жидкость с полностью расходуются, давая кристаллы α-раствора состава Р. В сплавах, лежащих правее точки Р, как следует из правила рычага, при перитектической реакции полностью расходуется только жидкость, а кристаллы β-раствора частично остаются. В твердом состоянии эти сплавы содержат кристаллы α-раствора, образовавшиеся в результате перитектической реакции, и кристаллы β-раствора, выделявшиеся первично и неизрасходованные в процессе перитектической реакции.

В сплаве 3 количество кристаллов β-раствора в начале перитектического превращения выражается соотношением c'3'/c'd', а после него - Р'3'Р'd'. В сплавах, лежащих левее точки Р (между с и Р), при перитектическом превращении первичные кристаллы β-раствора полностью растворяются, а избыточная жидкость будет затем кристаллизоваться в некотором интервале температур с образованием кристаллов α-раствора. Так, в сплаве 2 кристаллизация закончится при температуре t₆. Количество жидкости в момент начала перитектического превращения выразится соотношением 2'd'/c'd после окончания превращения - 2'Р'/с'Р'. Состояние жидкости в ходе дальнейшей кристаллизации будет описываться линией с'2"_Ж, а кристаллов α-раствора, выделяющихся из этой жидкости, линией Р'2"_ТВ.

Перитектическое превращение обычно протекает медленно. Поэтому в сплавах, лежащих левее точки Р и охлажденных достаточно быстро, почти всегда присутствует некоторое количество неуспевших раствориться β-кристаллов. Они образуют сердцевину зерна, а α-кристаллы образуют оболочку вокруг них.