Диаграммы состояния сплавов с неограниченной растворимостью

Диаграммы состояния сплавов второго рода описывают системы, компоненты которых обладают неограниченной взаимной растворимостью как в жидком, так и в твердом состоянии. После завершения процесса кристаллизации такие сплавы состоят исключительно из кристаллов твердого раствора. Классическим примером, иллюстрирующим принцип построения этих диаграмм, является система медь-никель (Cu-Ni). Изучение подобных систем позволяет прогнозировать свойства сплавов на основе их состава и термической истории.

Для построения диаграммы состояния необходимы данные о температурах начала и конца затвердевания для сплавов с разной концентрацией компонентов. Эти данные получают экспериментальным путем, снимая кривые охлаждения для ряда составов. На оси абсцисс будущей диаграммы откладывают содержание одного из компонентов, например, никеля, в диапазоне от 0 до 100%. На оси ординат в определенном масштабе отмечают значения температуры, как показано на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Диаграмма состояния сплавов Сu - Ni второго рода (ж. с. — жидкий сплав; т. р. — твердый раствор)

После проведения вертикальных линий, соответствующих составу каждого исследуемого сплава, на них наносят критические температуры начала и конца кристаллизации. Соединение верхних критических точек плавной кривой дает линию ликвидус. Аналогично, соединение нижних критических точек формирует линию солидус. Область выше линии ликвидус (область I) соответствует гомогенному жидкому состоянию сплава.

Пространство между линией ликвидус и линией солидус (область II) представляет собой двухфазную зону, где сосуществуют кристаллы твердого раствора и жидкая фаза. Область ниже линии солидус (область III) характеризует полностью твердое состояние сплава, который в этом случае состоит исключительно из однородных кристаллов твердого раствора. Криволинейный характер линии солидус является ключевой особенностью диаграмм этого типа.

Принципиальное отличие диаграмм состояния второго рода от диаграмм первого рода заключается именно в форме линии солидус. В системах с неограниченной растворимостью она имеет криволинейный характер, так как температура окончания затвердевания различна для сплавов разного состава. В системах, образующих механические смеси (первый род), линия солидус представляет собой горизонтальную прямую, поскольку все сплавы завершают кристаллизацию при одной и той же эвтектической температуре.

Причина этого различия коренится в поведении жидкой фазы в течение кристаллизации. В сплавах первого рода состав жидкости в конце процесса всегда идентичен и соответствует эвтектическому составу. В сплавах второго рода, образующих твердые растворы, состав жидкости непрерывно меняется в процессе всего интервала затвердевания, что и приводит к изменчивой температуре его окончания для разных составов.

Микроструктура неограниченных твердых растворов внешне схожа со структурой чистых металлов и представлена однородными зернами. Основное различие заключается в строении их кристаллической решетки. Кристаллическая решетка чистого металла состоит из атомов одного типа, тогда как решетка твердого раствора содержит атомы двух или более компонентов, беспорядочно распределенные в узлах единой кристаллической структуры.

Помимо системы медь-никель (Cu-Ni), неограниченные твердые растворы образуют и другие пары металлов, такие как золото-серебро (Au-Ag), железо-никель (Fe-Ni), железо-хром (Fe-Cr), железо-кобальт (Fe-Co) и железо-ванадий (Fe-V). Способность к образованию таких растворов определяется сходством атомных радиусов, кристаллических структур и электроотрицательности компонентов.

Рассмотренные диаграммы состояния первого и второго родов являются фундаментальными, однако существуют и более сложные системы. Компоненты сплава могут образовывать химические соединения или обладать лишь ограниченной растворимостью в твердом состоянии. Диаграммы состояния для таких случаев часто представляют собой комбинацию элементов диаграмм первого и второго родов, образуя сложные многофазные поля.

Практическая ценность диаграмм состояния чрезвычайно высока. Они в сжатой и наглядной форме отображают зависимость структуры сплава от его состава и температуры. На основе этих диаграмм можно без проведения дополнительных опытов определять температуры плавления и затвердевания, прогнозировать аллотропические превращения и устанавливать оптимальные режимы термической обработки и горячей обработки давлением.

Существует четкая корреляция между типом диаграммы состояния и физико-механическими свойствами сплавов, такими как твердость, прочность и электросопротивление. Например, сплавы, образующие твердые растворы, обычно обладают высокой пластичностью и хорошей коррозионной стойкостью, что делает их востребованными в различных отраслях промышленности. Таким образом, диаграммы состояния служат незаменимым инструментом для материаловедов и инженеров, позволяя целенаправленно создавать сплавы с заданным комплексом свойств.