Построение диаграммы состояния по критическим точкам

Разберем методику построения диаграммы на примере диаграммы состояния сплавов системы «Pb – Sb» (свинец-сурьма).

После анализа кривых охлаждения для шести сплавов с разной концентрацией компонентов были получены следующие результаты (табл. 3.1).

Диаграмма строится следующим образом: по оси абсцисс откладывается в масштабе процентное содержание исследуемых сплавов (рис. 3.3), а на ординатах, соответствующих этим сплавам, наносятся найденные критические температуры. На ординатах, соответствующих 100 % Pb и 100 % Sb, откладываются критические температуры чистых металлов.

Таблица 3.1

Рис. 3.3. Построение диаграммы состояния по критическим точкам

Все верхние критические точки (точки начала кристаллизации) соединяются между собой и образуют линию ликвидус. Все нижние (точки конца кристаллизации) образуют линию солидус. В случае небольших отклонений температур линии проводятся как средние между этими отклонениями.

3.4. Закономерности кристаллизации сплавов по диаграмме Pb – Sb (диаграмма состояния I рода)

Основной особенностью в кристаллизации сплавов Pb-Sb является образование в конце кристаллизации эвтектики, представляющей собой тонкую (мелкодисперсную) механическую смесь кристаллов Pb и Sb, получающуюся путем одновременной кристаллизации обоих компонентов при постоянной температуре и определенной концентрации.

Эвтектический сплав обладает самой низкой температурой плавления. Кроме того, температуры начала и конца кристаллизации эвтектического сплава совпадают, то есть его кривая охлаждения будет похожа на кривую охлаждения чистых металлов (наблюдается только одна площадка – рис. 3.4, сплав III).

У сплавов системы Sb-Pb образование эвтектики происходит на линии ECF (солидус) при 246 °C, ввиду чего эту линию называют линией эвтектического превращения. Состав эвтектики в данной системе равен: 13 % Sb и 87 % Pb. Соответственно сплав, имеющий этот состав, называют эвтектическим сплавом; после затвердевания он имеет структуру эвтектики. Сплавы, имеющие концентрацию менее 13 % Sb (а следовательно, более 87 % Pb), называется доэвтектическими; их кристаллизация, согласно диаграмме, начинается по линии АС с выпадения кристаллов того компонента, которого в жидкой фазе больше, чем в эвтектике, то есть с кристаллов Pb. На кривой охлаждения при этой температуре появляется перегиб (см. рис. 3.4, сплав II). При понижении температуры количество Pb в жидкости будет уменьшаться (а в твердой фазе – увеличиваться) и при температуре 246°С (линия ECF) состав оставшейся жидкой фазы (вследствие выпадения избыточного Pb в виде кристаллов) станет равным 13 % Sb и 87 % Pb и происходит окончательная кристаллизация – образуется эвтектика.

Таким образом, структура доэвтектических сплавов будет состоять из кристаллов Pb и эвтектики.

Сплавы с содержанием Sb > 13 % называются заэвтектическими. Их кристаллизация начинается с выпадения кристаллов Sb, избыточных по отношению к эвтектическому составу, затем идет образование эвтектики, и после окончательного затвердевания их структура будет состоять из кристаллов Sb + эвтектика (рис. 3.4, сплавы IV и V).

По диаграмме состояния можно определить концентрацию компонентов в жидкой фазе при любой температуре (первая часть правила отрезков). Для этого необходимо провести линию, параллельную оси концентраций (канода) до пересечения с линией ликвидус и опустить ее на ось концентраций (рис. 3.4, линии df и ff'). Таким образом, процентное содержание Pb в жидкости при температуре 500 °С равно ~ 62 %, а Sb ~ 38 %.

Количественное соотношение твердой фазы (избыточного компонента) и жидкости в разных сплавах и при разной температуре различно и может быть определено с помощью второй части правила отрезков (рис. 3.3). Для этого проводим каноду при температуре и отмечаем точки на пересечении каноды с осью температур, концентрационной прямой сплава V и линией ликвидус (соответственно точки a, b и c). Тогда соотношение количества твердой и жидкой фазы будет равно:

,

где – количество жидкой фазы;

– количество твердой фазы.

Принимая отрезок bc (длина каноды) за 100 % сплава, получим:

%; %;

Для рассмотренного случая Q_ж » 33 %, Q_тв » 67 %.