Диаграммы состояния сплавов

Для изготовления деталей машин необходимо знать свойства используемых материалов в условиях эксплуатации. При изготовлении деталей методом литья необходимо знать температуры плавления и затвердевания, литейные свойства. При обработке давлением необходимо знать, при каких температурах сплав обладает высокой пластичностью. При получении деталей методом сварки можно прогнозировать качество сварного шва при сварке сплавов с различным процентным содержанием компонентов.

Для определения температурных диапазонов различных видов термической обработки сплавов используют графические изображения состояния и строения сплавов в зависимости от их состава и температуры. Такие изображения называют диаграммами состояния сплава.

Диаграммы состояния строят термическим образом по кривым охлаждения сплавов. Вначале строят множество кривых охлаждения с различным содержанием составляющих элементов. Затем определяются критические точки и они наносятся на диаграмму состояния. Затем одноименные критические точки соединяются плавной кривой.

Наиболее просты диаграммы состояния двухкомпонентных сплавов. Различают диаграммы состояния первого и второго рода.

Диаграмма состояния первого рода строится для двухкомпонентных сплавов, которые неограниченно растворимы в жидком состоянии, а в твердом состоянии нерастворимы и не образуют химических соединений. Например сплав свинца с сурьмой (Pb–Sb).

 

 

У одного сплава этой системы, содержащего 87% Pb и 13% Sb, начало и конец кристаллизации происходят при одной постоянной температуре 246^оС. Эта температура является температурой конца кристаллизации для всех сплавов. Такой сплав называется эвтектическим. Эвтектика – греч. «хорошо сложенный». Структура эвтектического сплава представляет механическую смесь кристаллов свинца и сурьмы.

На диаграмме все сплавы, содержащие менее 13% Sb, называются доэвтектическими, а сплавы, содержащие более 13% Sb – заэвтектическими. Структура доэвтектических сплавов состоит из эвтектической смеси (Pb–Sb) и избыточных кристаллов свинца. Структура заэвтектических сплавов состоит из эвтектической смеси (Pb–Sb) и избыточных кристаллов сурьмы.

Линия начала кристаллизации называется линией ликвидус (греч. – жидкий), а линия конца кристаллизации линией солидус (греч. – твердый). Между линиями ликвидус и солидус сплав состоит из двух фаз: жидкого раствора и кристаллов одного из компонентов.

Диаграмма состояния второго рода строится для двухкомпонентных сплавов, которые неограниченно растворимы в жидком и твердом состояниях и не образуют химических соединений.

Диаграмма состояния имеет простой вид – есть всего две линии: ликвидус и солидус. Линии пересекаются в точках кристаллизации чистых компонентов (слева А, справа В). Такие диаграммы имеют Mo–W, Cu–Ni. Все сплавы затвердевают между линиями ликвидус–солидус.Вся диаграмма состояния имеет три области: L, L + Тв. раств., Тв. раств. Кристаллизация сплава более сложный процесс, чем у чистых металлов: внутри каждого кристалла идут диффузионные процессы перераспределения компонентов. Рассмотрим затвердевание сплава (35 % В, 65 % А). Жидкая фаза начинает кристаллизоваться при температуре точки 1. При этом выделяется твердая фаза. Завершается кристаллизация (точка 2) образованием твердого раствора. Кристаллизация идет в интервале температур по линии 1–2. Для определения количества каждой фазы в любой точке диаграммы между линиями ликвидус и солидус служит правило отрезков. При искомой температуре проводится линия c – q, она называется «конода». Отрезок c-m показывает количество твердой фазы, а отрезок m-q количество жидкой фазы. Концентрацию твердого раствора в точке m можно определить из соотношения: (cm/cq)%.