Диаграмма состояния сплавов первого рода

Наиболее типичными для диаграмм первого рода являются сплавы свинца с сурьмой. На примере этих сплавов рассмотрим принцип построения таких диаграмм.

По результатам термического исследования получим кривые охлаждения ряда сплавов свинца с сурьмой. Чем больше будет таких кривых, тем более точной получится диаграмма состояния сплавов. Для построения диаграммы возьмем пять спла­вов свинца с сурьмой различной концентрации: а — 5 % сурьмы и 95 % свинца; б — 10 % сурьмы и 90 % свинца; в — 20 % сурь­мы и 80 % свинца; г — 40 % сурьмы и 60 % свинца; д — 80 % сурьмы и 20 % свинца. Все они имеют две критические темпера­туры: верхнюю и нижнюю. Изучение процессов кристаллизации этих сплавов показывает, что верхняя критическая температура соответствует началу а нижняя — концу затвердевания сплава.

а — кривые охлаждения доэвтектических сплавов; б — диаграмма состояния сплавов Рb—Sb; е — кривые охлаждения заэвтектических сплавов

Рисунок 3.4 - Диаграмма состояния сплавов Рb—Sb (первого рода)

Кристаллизация указанных сплавов резко отли­чается от кристаллизации чистых металлов. Сплавы кристалли­зуются в интервале температур, а чистые металлы — при постоян­ной температуре. Только один сплав, содержащий 13 % сурьмы и 87 % свинца, имеет одну критическую температуру, т. е. за­твердевает при постоянной температуре. Это объясняется тем, что при указанном сочетании компонентов и температуре 246 °С из жид­кого сплава одновременно выделяются кристаллы свинца и сурь­мы. Образуясь одновременно, они затрудняют рост друг друга, в результате чего создается мелкозернистая структура сплава. Та­кая механическая смесь кристаллов, выделяющихся из жидкого сплава одновременно, называется эвтектикой (в переводе с гре­ческого — хорошо сложенный). Сплавы указанной концентра­ции называют эвтектическими. Результаты анализа кристаллиза­ции остальных сплавов свинца с сурьмой свидетельствуют о том, что в начале кристаллизации из жидкого сплава выделяются кри­сталлы того элемента, который является избыточным по отно­шению к эвтектическому составу (87 % свинца и 13 % сурьмы). При кристаллизации сплавов а и б в избытке к эвтекти­ческому составу будет свинец. Следовательно, в начале кристал­лизации будут выделяться кристаллы свинца. Это будет происхо­дить до того момента, пока в жидком сплаве не останется 87 % свинца и 13 % сурьмы. Тогда при температуре 246°С из остав­шейся жидкости начнет выделяться эвтектика и на этом крис­таллизация закончится (точки а₁ и б₁). В твердом состоянии спла­вы а и б состоят из кристаллов свинца и эвтектики, представля­ющей собой равномерную механическую смесь свинца и сурьмы.

У сплавов в, г и д в избытке к эвтектическому составу нахо­дится сурьма, поэтому процесс кристаллизации начнется с выде­ления кристаллов сурьмы, а закончится при температуре 246 °С выделением эвтектики.

Эти сплавы в твердом состоянии будут состоять из кристаллов сурьмы и эвтектики.

При построении диаграммы состояния сплавов свинец—сурь­ма на оси абсцисс указывают их концентрацию. После этого из каж­дой точки горизонтальной оси, обозначающей концентрацию, про­водят вертикальные линии, на которых отмечают (в определен­ном масштабе) критические температуры начала и конца затверде­вания сплава данной концентрации. Эти температуры определяют из кривых охлаждения сплавов. Температура затвердевания свин­ца 327 °С на оси ординат будет соответствовать 0 % сурьмы, а температура 631 °С затвердевания сурьмы — 100 % сурьмы. Таким образом, на диаграмме получится ряд точек. Если точки, соответствующие началу кристаллизации различных сплавов, со­единить между собой и провести линию через точки, соответству­ющие концу кристаллизации сплавов, образуется диаграмма состояния сплавов свинец—сурьма.

a — доэвтектическая (эв­тектика плюс темные кристаллы свинца); б — эвтектическая (эвтек­тика — механическая смесь свинца и сурьмы); в — заэвтектическая (эвтектика плюс светлые кристаллы сурьмы)

Рисунок 3.5 - Микроструктура сплавов Pb—Sb

Эта диаграмма имеет пять раз­личных областей, дающих представление о состоянии любого спла­ва свинец—сурьма при любой температуре. Область выше ли­нии ABC — жидкий сплав; в интервале точек ABD — кристаллы свинца и жидкий сплав; в интервале точек ВСЕ — кристаллы сурьмы и жидкий сплав; ниже линии DB — кристаллы свинца и эв­тектика; ниже линии BE — кристаллы сурьмы и эвтектика. Линия ABC называется линией ликвидус (в переводе с гречес­кого — жидкий). Выше этой линии любой сплав свинца с сурь­мой находится в жидком состоянии. Линия DBE получила назва­ние линии солидус (в переводе с греческого — твердый), или эв­тектической линии. Ниже этой линии все сплавы свинца с сурьмой будут в твердом состоянии. Между линиями ликвидуса и солидуса сосуществуют твердые кристаллы и жидкий сплав. Точка В по­казывает состав эвтектики. Сплавы, расположенные левее этой точки, называются доэвтектическими, правее ее — заэвтектическими. В структуре доэвтектических сплавов кроме эвтектики всегда есть некоторое количество свинца, а в заэвтектических кроме эвтектики — сурьма.