Диаграмма состояния двухкомпонентной системы с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и ограниченной растворимостью компонентов в твердом состояниях (эвтектический тип)

Диаграмма состояния двухкомпонентной системы с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и ограниченной растворимостью компонентов в твердом состояниях (эвтектический тип)

Диаграмма состояния двухкомпонентной системы с неограниченной растворимостью в жидком состоянии и ограниченной растворимостью в твердом состоянии эвтектического типа приведена на рис. 5.

А'e – линия ликвидуса aтвердого раствора (твердого раствора компонента В в компоненте А), В'e – линия ликвидуса b твердого раствора (твердого

Рис. 5. Диаграмма состояния эвтектического типа системы А-В

раствора компонента А в компоненте В). А'а и В'b – это линии солидуса a и b твердых растворов соответственно; ab – эвтектическая линия; е – эвтекти-ческая точка; аc является линией ограниченной растворимости компонента В в компоненте А (линией сольвуса a раствора), а bd – линией ограниченной растворимости компонента А в компоненте В (линией сольвуса b раствора). Эти линии разбивают всю диаграмму состояния системы А–В на шесть фазовых областей: три однофазные области (Ж, a, b) и три двухфазные области (Ж +a, Ж +b, a +b). Эвтектическая прямая является по существу седьмой, выродившейся в линию трехфазной областью Ж +a +b.

Все сплавы системы А–В могут быть подразделены на доэвтектические, эвтектический и заэвтектические сплавы. Состав эвтектического сплава соответствует составу точки эвтектики е. Доэвтектические сплавы находятся в области, расположенной между компонентом А и эвтектическим сплавом, а заэвтектические сплавы – в области между эвтектическим сплавом и компонентом В.

Рис. 6. Кристаллизация эвтектического сплава: а) диаграмма состояния системы А – В;
б) кривая охлаждения эвтектического сплава Х

Проанализируем процессы, происходящие при охлаждении эвтектического сплава Х такой системы, в которой величина предельной растворимости как компонента В в a твердом растворе, так и компонента А в b твердом растворе не изменяется при изменении температуры (рис. 6а). Вертикаль, проходящая через точку Х, пересекает линии диаграммы состояния в точке е. Следовательно, сплав Х будет иметь одну критическую точку, которой соответствует эвтектическая температура te. При охлаждении сплава до te фазовый состав сплава изменяться не будет.

Точка е одновременно принадлежит как кривой ликвидуса a твердого раствора, так и кривой ликвидуса b твердого раствора. Жидкий сплав, фигуративная точка которого соответствует точке е, будет одновременно насыщен как по отношению к кристаллам aраствора, так и по отношению к кристаллам b фазы. Поэтому из этого жидкого раствора в процессе квазистатической (равновесной) кристаллизации одновременно будут выделяться как a, так и b кристаллы. Получающаяся в результате кристаллизации сплава Х смесь a и b кристаллов носит название эвтектической смеси, или эвтектики. Процесс эвтектической кристаллизации может быть записан в виде реакции

. (9)

При квазистатической эвтектической кристаллизации в образце сплава Х в равновесии находятся три фазы: жидкий раствор, кристаллы a твердого раствора и кристаллы b твердого раствора, составы которых соответствуют фигуративным точкам е, a и b. Вариантность трехфазного состояния двухкомпонентного сплава С=К-Ф+1=2-3+1=0. Следовательно, трехфазное состояние может существовать только при определенной температуре te и равновесная эвтектическая кристаллизация будет происходить при постоянной температуре. После окончания эвтектической кристаллизации структура сплава будет представлять собой эвтектическую смесь кристаллов a и b фаз. Соотношение количеств этих фаз в эвтектике

. (10)

Предельные растворимости компонентов А и В в фазах a, b при изменении температуры не изменяются, поэтому в процессе охлаждения сплава Х до комнатной температуры составы фаз в сплаве изменяться не будут.

На рис. 6б представлена кривая охлаждения сплава Х. На кривой охлаждения наблюдается горизонтальная площадка, соответствующая эвтектической кристаллизации. Микроструктура эвтектического сплава (рис. 7) имеет одну структурную составляющую эвтектику, но фазовых составляющих в структуре сплава Х будет две. Это эвтектические кристаллы a твердого раствора и эвтектические кристаллы b твердого раствора.

Рис. 7. Микроструктура эвтектического сплава (схема)

Рассмотрим процессы, происходящие при охлаждении образца доэвтектического сплава Х1 такой системы, в которой предельная растворимость компонента В в a твердом растворе и предельная растворимость компонента А в b твердом растворе уменьшаются с понижением температуры (рис. 8).

Рис. 8. Кристаллизация доэвтектического и заэвтектического сплавов:
а) диаграмма состояния эвтектического типа системы А–В;
б) кривые охлаждения сплавов Х1 и Х2(б)

Вертикаль сплава Х1 пересекает в точках 1 и 2 две линии диаграммы состояния. В интервале температур от t ₁ до te происходит кристаллизация твердого раствора

. (11)

Кристаллы a фазы, выделяющиеся в эту стадию кристаллизации, называются первичными. В конечный момент кристаллизации фигуративная точка первичных кристаллов оказывается в точке а, а фигуративная точка жидкого раствора в точке е.

При температуре t_e жидкий раствор кристаллизуется в виде эвтектики

. (12)

Таким образом, кристаллизация сплава Х1 происходит в две стадии. Поэтому после эвтектической кристаллизации при температуре te структура сплава будет состоять из двух структурных составляющих: первичных кристаллов a твердого раствора и эвтектики a _а+b_b. Фазовых составляющих в структуре сплава Х1 после кристаллизации эвтектики будет также две. Это кристаллы a и b фаз.

В результате того, что предельная растворимость компонента В в a твердом растворе уменьшается с понижением температуры, в процессе охлаждения будет происходить распад a твердого раствора с выделением вторичных b кристаллов. При этом фигуративная точка a кристаллов будет перемещаться по кривой аd, а b кристаллов – по кривой bc. Этот процесс может быть записан в виде реакции

. (13)

В результате этого процесса в кристаллах a фазы появятся мелкие вторичные кристаллы b фазы. С понижением температур предельная растворимость компонента А в b твердом растворе также уменьшается, поэтому аналогичный процесс будет происходить и в кристаллах b фазы:

. (14)

Реакции (11) и (12) могут быть объединены, так как они протекают одновременно:

. (15)

В результате этих процессов появляются вторичные кристаллы в первичных кристаллах фазы и в кристаллах a и b фаз эвтектики. Однако выделения вторичных кристаллов в эвтектике не заметно, так как сама эвтектика на шлифе выглядит как достаточно дисперсная смесь двух видов кристаллов. Поэтому вторичные кристаллы заметны только в первичных кристаллах a твердого раствора. Кривая охлаждения Х2 приведена на рис. 8б. В структуре сплава Х1 рис. 9а наблюдаются следующие структурные составляющие: первичные кристаллы a твердого раствора с выделением вторичных b кристаллов и a +b эвтектика. В структуре будут две фазовые составляющие: кристаллы a _d и b _с фаз, состав которых соответствует фигуративным точкам d и c.

Заэвтектический сплав Х2 также имеет две критические точки (точки 3 и 4). При охлаждении сплава Х2

, (16)

, (17)

. (18)

Видно, что процесс кристаллизации этого сплава происходит в две стадии и в структуре сплава будут следующие структурные составляющие: первичные кристаллы b фазы с включениями вторичных a кристаллов и эвтектика (рис. 9б). Кривая охлаждения сплава Х2 приведена на рис. 8б. В других до- и заэвтектических сплавах при их охлаждении из жидкого состояния будут происходить процессы, аналогичные рассмотренным выше сплавам Х1 и Х2.

Рис. 9. Схематическое изображение микроструктуры: а) сплав Х1; б) сплав Х2

Рассмотрим процессы, происходящие при квазистатическом охлаждении образца доэвтектического сплава Х3 (см. рис. 10). Вертикаль сплава пересекает три линии диаграммы состояния в точках 5–7. Поэтому при охлаждении сплава Х3 будут наблюдаться три критические точки (t₅, t₆ и t₇):

, (19)

. (20)

Рис. 10. Кристаллизация сплава Х3: а) диаграмма состояния эвтектического типа системы А-В;
б) кривая охлаждения сплава X3 (б)

Рис. 11. Схема микроструктуры сплава Х3

Стадии охлаждения до температуры t₇ аналогичны стадиям охлаждения и кристаллизации сплавов типа твердых растворов. При температуре t₇ фигуративная точка сплава оказывается на кривой сольвуса a твердого раствора. Поэтому aтвердый раствор будет насыщенным относительно кристаллов b фазы и при дальнейшем охлаждении из кристаллов a фазы будут выделяться вторичные кристаллы b фазы. Эти кристаллы b фазы образуются как по границам, так и внутри aкристаллов. На рис. 11 приведена структура образца сплава Х3, а на рис. 10б – кривая его охлаждения. Структура сплава Х3 имеет одну структурную составляющую. Это кристаллы a раствора, содержащие включения вторичных кристаллов b твердого раствора. В структуре сплава Х3 будут фазовые составляющие: кристаллы a и b фаз.

Дата добавления: 2015-09-29