5.1 Диаграмма фазового равновесия сплавов с неограниченной растворимостью в жидком и твердом состоянии

Наиболее простой вид диаграмма состояния имеет в случае неограниченной растворимости компонентов в жидком и твердом состояниях (рис 5.1,а).

Нетрудно понять, что такая растворимость может быть только в случае, если образуются твердые растворы типа замещения и кристаллические решетки компонентов А и В подобны (изоморфны). Две линии на диаграмме делят ее на 3 области. Верхняя линия называется ликвидус. Выше нее система находится только в жидком состоянии. Нижняя – солидус. Ниже нее система находится только в твердом состоянии. Для данной диаграммы это однофазное состояние – твердый раствор , в узлах кристаллической решетки которого расположены и атомы компонента А и атомы компонента В в разных пропорциях. Между линиями система двухфазна: состоит из жидкой фазы L и кристаллов твердого раствора .

I

Т L Т L

1 L +  L

a c b -_

Т₃ -_- 

2 



А C_L % В C_В

а б

Рисунок 5.1 - Диаграмма состояния сплава(а) и схема кривой охлаждения(б)

Основные правила работы с диаграммами состояния двойных систем довольно просты и состоят в следующем. По диаграммам состояний для заданных условий можно определить равновесный фазовый состав, например для сплава І (50% компонента В) выше Т₁ сплав однофазен – находится в жидком состоянии. Ниже Т₂ – сплав тоже однофазен, но состоит из одинаковых кристаллов твердого раствора , а между Т₁ и Т₂ – сплав двухфазен и состоит из жидкой фазы и кристаллов твердого раствора . В двухфазной области можно определить относительное количество сосуществующих фаз и их равновесные химические составы. Для этого в пределах двухфазной области проводят изотерму (горизонтальную линию), которая называется конода. На рис. 5.1(а) при температуре Т₃ она обозначена как abc. За пределами двухфазной области конода не имеет смысла. Вся длина коноды принимается за 100%, точка «с» делит коноду на две части, обратно пропорциональные количеству сосуществующих фаз (правило рычага или отрезков). Так количество фазы  можно рассчитать из соотношения:

(5.1)

а количество жидкой фазы L – из соотношения

(5.2)

При этом положение точки «а» на шкале концентраций соответствует равновесному составу жидкой фазы L, а положение точки «b» - составу твердого раствора . Дальнейший анализ процессов, происходящих при нагреве или охлаждении любого сплава заданной системы любой сложности, не требует ничего, кроме здравого смысла и знаний выше перечисленных простейших правил. Так, для приведенного на рис. 5.1 (а) сплава І выше температуры Т₃ количество жидкости оказывается большее, чем при Т₃, а ниже – меньшее. В составе жидкости (фаза L) выше Т₃ количество компонента В больше, а ниже Т₃ меньше, чем при Т₃. Таким образом при охлаждении в интервале Т₁ – Т₂ жидкости становится меньше, кристаллов  - больше, в жидкости и кристаллах уменьшается количество компонента В. Материальный баланс при этом не разрушается, поскольку состав жидкой фазы удаляется от среднего (слева), а состав кристаллов  - приближается к нему (справа). При анализе происходящий процессов для заданного сплава обычно строят схему кривой охлаждения (рис. 5.1,б). В данном случае при Т=Т₁ на схеме кривая охлаждения идет более полого (перегиб), что соответствует началу выделения тепла при фазовом превращении, а при Т=Т₂ – более круто – окончание фазового превращения и выделения скрытой теплоты кристаллизации.

Из-за того, что в интервале кристаллизации при разных температурах равновесная концентрация различна, состав кристаллов оказывается неоднородным. В центральных участках (осях дендритов) оказывается больше тугоплавкого компонента, а на периферии (межосные участки) – больше легкоплавкого. Такая химическая неоднородность называется дендритной или внутрикристаллической ликвацией и проявляется при реальных, не очень медленных скоростях охлаждения. При очень медленном охлаждении состав кристаллов успевает выровняться в процессе кристаллизации. Для устранения или уменьшения степени уже возникшей дендритной ликвации применяют специальную термообработку – диффузионный (гомогенизирующий) отжиг.