Диаграмма состояния сплавов свинца и сурьмы первого рода

Классическим примером диаграмм состояния первого рода являются сплавы системы свинец-сурьма (Pb-Sb). Принцип их построения основан на экспериментальном изучении процессов охлаждения. Исследованию подвергают ряд сплавов с различной концентрацией компонентов, например: 5% сурьмы и 95% свинца (a), 10% сурьмы и 90% свинца (b), 20% сурьмы и 80% свинца (c), 40% сурьмы и 60% свинца (d), 80% сурьмы и 20% свинца (e). Чем больше таких экспериментов будет проведено, тем точнее будет итоговая диаграмма состояния.

В процессе термического анализа фиксируются критические температуры начала и конца затвердевания. Все исследованные сплавы, кроме одного, кристаллизуются в интервале температур, что коренным образом отличает их от чистых металлов, затвердевающих при постоянной температуре. Верхняя критическая точка на кривой охлаждения соответствует началу кристаллизации, а нижняя — ее окончанию. Это наглядно отображено на рис. 3.4, где представлены как кривые охлаждения, так и сама диаграмма состояния.

Рис. 3.4. Диаграмма состояния сплавов Pb—Sb (первого рода): а— кривые охлаждения доэвтектических сплавов; б— диаграмма состояния сплавов РЬ—Sb; в — кривые охлаждения заэвтектических сплавов

Единственный сплав, содержащий 13% сурьмы и 87% свинца, затвердевает при постоянной температуре 246 °C. Этот уникальный состав называется эвтектическим. При данной температуре из жидкого раствора одновременно кристаллизуются кристаллы свинца и кристаллы сурьмы, образуя мелкозернистую структуру. Такая равномерная механическая смесь, выделяющаяся из жидкости одновременно, носит название эвтектика (от греч. «эутектос» — хорошо сложенный).

Процесс кристаллизации других сплавов системы Pb-Sb является более сложным. В сплавах, где содержание свинца превышает эвтектический состав (сплавы a и b), первыми из расплава начинают выделяться кристаллы свинца. Это продолжается до тех пор, пока состав оставшейся жидкости не станет соответствовать эвтектике. Затем при температуре 246 °C оставшаяся жидкость затвердевает, образуя эвтектику. Таким образом, конечная структура таких доэвтектических сплавов состоит из первичных кристаллов свинца и эвтектики.

В сплавах, где содержание сурьмы превышает эвтектический состав (сплавы c, d, e), кристаллизация начинается с выделения первичных кристаллов сурьмы. После этого процесс аналогичным образом завершается образованием эвтектики при той же температуре 246 °C. Следовательно, структура этих заэвтектических сплавов в твердом состоянии будет представлена первичными кристаллами сурьмы, окруженными эвтектической смесью.

Для построения самой диаграммы состояния на ось абсцисс наносят концентрацию сплавов. Из каждой точки состава проводят вертикали, на которых в определенном масштабе отмечают критические температуры, найденные из кривых охлаждения. Температура затвердевания чистого свинца (327 °C) соответствует точке A (0% Sb), а температура затвердевания чистой сурьмы (631 °C) — точке C (100% Sb). Соединяя точки начала кристаллизации, получают линию ликвидус, а точки конца кристаллизации формируют линию солидус.

Полученная диаграмма состояния системы Pb-Sb ясно разделена на несколько ключевых областей, как показано на рис. 3.4, б. Область выше линии ABC представляет собой гомогенную жидкую фазу. Между линией ликвидус (ABC) и линией солидус (DBE) сплав находится в двухфазном состоянии: здесь сосуществуют твердые кристаллы (свинца или сурьмы) и жидкая фаза. Область ниже эвтектической горизонтали DBE соответствует полностью твердому состоянию.

Точка B на диаграмме является эвтектической точкой и определяет состав и температуру образования эвтектики. Сплавы, расположенные левее этой точки, классифицируются как доэвтектические, а правее — как заэвтектические. Микроструктура доэвтектических сплавов, как видно на рис. 3.5, а, состоит из темных первичных кристаллов свинца и окружающей их эвтектики. На рис. 3.5, б представлена однородная мелкозернистая структура чисто эвтектического сплава. В заэвтектических сплавах (рис. 3.5, в) микроструктура образована светлыми первичными кристаллами сурьмы, погруженными в эвтектику.

Рис. 3.5. Микроструктура сплавов Pb—Sb: а — доэвтектическая (эвтектика плюс темные кристаллы свинца); б — эвтектическая (эвтектика — механическая смесь свинца и сурьмы); в — заэвтектическая (эвтектика плюс светлые кристаллы сурьмы)

Практическая ценность диаграммы состояния заключается в ее прогностической способности. Она позволяет определить для сплава любого состава температуру начала и конца плавления, предсказать его фазовый состав при любой температуре и, следовательно, оценить его технологические и эксплуатационные свойства. Знание диаграммы состояния является фундаментальной основой для разработки режимов термической обработки и литейного производства, обеспечивая создание материалов с заданными характеристиками.