Диаграммы состояния двойных сплавов металлов: типы, анализ, правила фаз и связь со свойствами

Диаграмма состояния представляет собой графическое отображение фазового равновесия в многокомпонентных системах в зависимости от температуры и концентрации компонентов. Метод построения таких диаграмм базируется на экспериментальном получении термических кривых охлаждения, которые фиксируют критические точки фазовых превращений. После построения термических кривых для серии сплавов с различной концентрацией компонентов полученные точки температурных остановок и перегибов переносят на координатную сетку "температура–концентрация". Соединяя точки начала кристаллизации (ликвидус) и точки окончания кристаллизации (солидус), получают полную диаграмму фазового равновесия данной системы.

Диаграмма состояния с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. На рис. 5.1 представлена диаграмма состояния системы, в которой компоненты А и В обладают неограниченной растворимостью как в жидком, так и в твердом состоянии. Количество компонентов в данной системе К = 2, число фаз f = 2 (жидкая фаза L и кристаллы твердого раствора α). Основными линиями диаграммы являются линия ликвидус acb, выше которой сплавы находятся в гомогенном жидком состоянии, и линия солидус adb, ниже которой сплавы полностью затвердевают, образуя однородные кристаллы твердого раствора.

Рис.5.1 Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (а); кривые охлаждения типичных сплавов (б)

Кристаллизация чистых компонентов происходит при постоянной температуре, что отражается горизонтальным участком на кривой охлаждения. Для компонента В такая кривая представлена на рис. 5.1, б. Все остальные сплавы данной системы кристаллизуются аналогично сплаву I в интервале температур между ликвидусом и солидусом, при этом процесс кристаллизации сопровождается постепенным понижением температуры. Микроструктура всех сплавов после полного затвердевания представляет собой однородные зерна твердого раствора, схема которого показана на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Схема микроструктуры сплава – однородного твердого раствора

Количественный структурно-фазовый анализ с использованием правила отрезков. Для проведения количественного анализа фазового состава сплава при заданной температуре применяется фундаментальное правило отрезков (конод). Через точку, характеризующую состояние сплава (например, точка m на диаграмме), проводят горизонтальную линию (коноду) до пересечения с ближайшими линиями диаграммы – ликвидусом, солидусом или осями компонентов. Проекция точки пересечения коноды с линией ликвидус на ось концентраций определяет химический состав жидкой фазы, а проекция точки пересечения с линией солидус – состав твердой фазы (α-раствора).

Определение количественного соотношения фаз базируется на том, что массы фаз обратно пропорциональны отрезкам проведенной коноды. Общее количество сплава (Qсп) соответствует отрезку pq. Отрезок pm, прилегающий к линии ликвидус, пропорционален количеству твердой фазы, тогда как отрезок mq, прилегающий к линии солидус, определяет количество жидкой фазы, остающейся в системе при данной температуре. С понижением температуры состав жидкой фазы непрерывно изменяется по линии ликвидуса в сторону уменьшения содержания тугоплавкого компонента В, а состав твердой фазы эволюционирует по линии солидуса.

Диаграмма состояния сплавов с отсутствием растворимости компонентов в твердом состоянии (механические смеси). Диаграмма данного типа характеризуется полной нерастворимостью компонентов в твердом состоянии, что приводит к образованию механических смесей кристаллов чистых компонентов. Как показано на рис. 5.3, диаграмма содержит два компонента (К = 2) и три фазы (f = 3): кристаллы компонента А, кристаллы компонента В и жидкую фазу. Линия ликвидус acb состоит из двух ветвей, сходящихся в эвтектической точке *c*, а линия солидус ecf располагается строго горизонтально (параллельно оси концентраций).

Рис. 5.3. Диаграмма состояния сплавов с отсутствием растворимости компонентов в твердом состоянии (а) и кривые охлаждения сплавов (б)

Чистые компоненты кристаллизуются при фиксированной температуре, что демонстрирует кривая охлаждения компонента А на рис. 5.3 б. Особый интерес представляет эвтектический сплав (сплав I), соответствующий концентрации точки *c*. Его кристаллизация происходит при постоянной минимальной для данной системы температуре, что внешне напоминает кристаллизацию чистого металла. Эвтектика представляет собой мелкодисперсную закономерную механическую смесь одновременно кристаллизующихся кристаллов компонентов А и В: Эвт. (кр. А + кр. В). Согласно правилу фаз Гиббса, при наличии трех фаз (жидкость + кристаллы А + кристаллы В) в двухкомпонентной системе число степеней свободы равно нулю (С = 0), что и обусловливает постоянство температуры кристаллизации.

Для доэвтектических и заэвтектических сплавов (сплав II) характерна двухстадийная кристаллизация. В интервале температур между ликвидусом и эвтектической горизонталью происходит выделение кристаллов избыточного компонента (В для сплава II), при этом состав жидкой фазы изменяется по ветви ликвидуса до достижения эвтектической концентрации. При эвтектической температуре оставшаяся жидкость затвердевает с образованием эвтектической смеси. Схемы микроструктур для различных типов сплавов представлены на рис. 5.4, где отчетливо видны крупные первичные кристаллы избыточной фазы на фоне тонкодисперсной эвтектики.

Рис. 5.4. Схема микроструктур сплавов: а – доэвтектического, б – эвтектического, в – заэвтектического

При проведении количественного фазового анализа для данной диаграммы конода, проведенная через заданную точку, всегда пересекает либо ось компонента А, либо ось компонента В, что указывает на то, что твердая фаза представляет собой 100 % соответствующего чистого компонента без какой-либо растворимости.

Диаграмма состояния с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Данный тип диаграмм (рис. 5.5) является наиболее распространенным в металловедении и характеризуется образованием ограниченных твердых растворов на базе обоих компонентов. Система содержит два компонента (К = 2) и может включать три фазы: жидкую фазу L, твердый раствор α (раствор компонента В в кристаллической решетке А) и твердый раствор β (раствор компонента А в решетке В). Линия ликвидус acb имеет классическую V-образную форму, тогда как линия солидус аdcfb состоит из трех характерных участков.

Рис. 5.5 Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (а) и кривые охлаждения типичных сплавов (б)

Важнейшими линиями данной диаграммы являются dm – линия предельной концентрации компонента В в α-твердом растворе и fn – линия предельной растворимости компонента А в β-твердом растворе. Для сплавов, концентрация которых не превышает предельных значений растворимости (области Am и nВ), процесс кристаллизации протекает аналогично твердым растворам с неограниченной растворимостью (кривая I на рис. 5.5 б). В случае превышения пределов растворимости (область dcf) сплавы кристаллизуются по механизму, характерному для механических смесей, с образованием эвтектики.

Эвтектический сплав в данной системе соответствует точке *c* и состоит из мелкодисперсной смеси двух твердых растворов: Эвт. (кр. α + кр. β). Принципиально важным отличием от предыдущего типа диаграмм является то, что кристаллы чистых компонентов в структуре сплавов отсутствуют – обе фазы представляют собой твердые растворы различной концентрации, находящиеся в равновесии друг с другом.

Диаграмма состояния сплавов, образующих химические соединения. В системах, где компоненты проявляют химическое сродство, образуются устойчивые химические соединения (интерметаллиды) типа AₘBₙ. Как показано на рис. 5.6, такая диаграмма является сложной и может быть разложена на несколько простых диаграмм, каждая из которых рассматривает взаимодействие между химическим соединением и одним из исходных компонентов. Количество простых диаграмм определяется числом химических соединений, образующихся в системе.

Рис. 5.6. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых образуют химические соединения

Химическое соединение AₘBₙ ведет себя как самостоятельный компонент с собственной кристаллической решеткой, отличной от решеток исходных элементов. В такой системе могут существовать две эвтектики: эвтектика 1 (кристаллы А + кристаллы AₘBₙ) и эвтектика 2 (кристаллы B + кристаллы AₘBₙ). Диаграммы данного типа часто встречаются в системах тугоплавких металлов и при производстве жаропрочных сплавов специального назначения.

Диаграмма состояния с фазовыми превращениями в твердом состоянии (переменная растворимость). Внешне данная диаграмма (рис. 5.7) напоминает диаграмму с ограниченной растворимостью, однако имеет принципиальное отличие: линии предельной растворимости df и ek не являются вертикальными, а имеют наклон, что свидетельствует о переменной растворимости компонентов в твердом состоянии в зависимости от температуры. Это создает предпосылки для вторичных фазовых превращений при охлаждении уже затвердевшего сплава.

Рис. 5.7. Диаграмма состояния сплавов, испытывающих фазовые превращения в твердом состоянии (а) и кривая охлаждения сплава (б)

Рассмотрим кристаллизацию сплава I на рис. 5.7 б. На участке 1–2 происходит первичная кристаллизация с образованием однородного твердого раствора α. При дальнейшем охлаждении ниже температуры точки 3 растворимость компонента В в α-твердом растворе уменьшается согласно линии df, и твердый раствор становится пересыщенным. Это вызывает выделение избыточного компонента в виде дисперсных вторичных кристаллов βII. Таким образом, окончательная структура сплава состоит из двух фаз: матричного твердого раствора α и вторичных выделений βII, которые могут существенно влиять на механические свойства материала, вызывая дисперсионное твердение.

Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния. Фундаментальная зависимость между фазовым составом сплавов и их физико-механическими свойствами была установлена академиком Н.С. Курнаковым. Как показано на рис. 5.8, характер изменения свойств в функции состава непосредственно определяется типом диаграммы состояния и природой фаз, образующихся в системе.

Рис. 5.8. Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния

1. При образовании механических смесей (эвтектических, эвтектоидных) свойства сплавов изменяются по линейному закону аддитивности. Значения твердости, прочности, электропроводности находятся в интервале между соответствующими характеристиками чистых компонентов и пропорциональны объемному соотношению фаз.

2. Для неограниченных твердых растворов характерно нелинейное (криволинейное) изменение свойств. Особенно показательно электросопротивление, которое может значительно превышать значения обоих компонентов (эффект Нордгейма) из-за искажения кристаллической решетки атомами растворенного элемента.

3. В системах с ограниченной растворимостью наблюдается комбинированная зависимость: в однофазных областях (твердые растворы) свойства изменяются по криволинейному закону, тогда как в двухфазных областях действует линейный закон аддитивности между свойствами предельно насыщенных твердых растворов, образующих данную смесь.

4. При образовании химических соединений (интерметаллидов) на кривой "состав–свойство" появляется характерный экстремум (максимум или минимум), соответствующий стехиометрическому составу соединения. Эта точка, называемая сингулярной, указывает на образование новой кристаллической структуры с уникальными свойствами, отличными от свойств исходных компонентов.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Третьякова Н.В.

Источник: Лекции по материаловедению

Данные публикации будут полезны студентам, изучающим материаловедение и металлургию, инженерно-техническим работникам и специалистам, занятым в области машиностроения, а также всем, кто интересуется историей науки о металлах и современными тенденциями разработки новых материалов.