Диаграммы состояния сплавов

05.10.2019

Процесс кристаллизации металлических сплавов, а также происходящих в них изменений при охлаждении до комнатной температуры принято изображать графически в виде так называемых диаграмм состояния. При их помощи удается наглядно и коротко описывать различные превращения в сплавах, например при закалке, отжиге и других операциях. Диаграмм состояния, как и сплавов, очень много, но здесь будут рассмотрены только диаграммы, наиболее типичные для некоторых цветных сплавов.

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых обладают полной взаимной растворимостью в твердом состоянии


На рис. 9 приведен наиболее простой вид диаграммы состояния, каким является, например, диаграмма состояния сплавов меди с никелем (Cu—Ni), которые при кристаллизации из жидкого состояния образуют однородный твердый раствор при любых соотношениях компонентов. По горизонтальной оси диаграммы откладывают в процентах содержание компонентов в сплаве, а по вертикальной оси — температуру. Поле диаграмм сплава Cu—Ni делится двумя линиями anb и amb на три области. Выше линии anb, называемой линией ликвидуса, сплав находится в жидком состоянии и образует однородный жидкий раствор (ж.р.). Ниже линии amb, называемой линией солидуса, сплав находится в твердом состоянии и образует однородный твердый раствор (тв.р.). Между линиями ликвидуса и солидуса сплав находится в процессе кристаллизации, т. е. здесь одновременно существуют жидкий раствор и кристаллы выделяющегося из жидкости твердого раствора.
Диаграммы состояния сплавов

На левой вертикальной оси, в точке а, показана температура плавления или затвердевания меди 1083° С, на правой вертикальной оси, в точке b — температура плавления или затвердевания никеля 1452° С. По линии ликвидуса начинается кристаллизация сплава, а по линии солидуса — заканчивается затвердевание сплава. Отсюда ясно, что кристаллизация твердых растворов идет не при постоянной температуре, как у чистых металлов, а в некотором интервале температур.

Рассмотрим процесс кристаллизации сплава, содержащего 30% Ni. После достижения температуры 1240° С, соответствующей точке п на линии ликвидуса, начинается кристаллизация сплава. При температуре 1200° С, отвечающей точке t, сплав состоит из жидкого раствора и кристаллов твердого сплава. При дальнейшем охлаждении, когда температура сплава достигает 1170° С (точка т на линии солидуса), сплав целиком переходит в твердый раствор и таким остается при охлаждении до комнатной температуры и ниже.

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых не обладают взаимной растворимостью в твердом состоянии


На рис. 10 приведена диаграмма состояния сплавов, состоящих из свинца и сурьмы (Pb—Sb), которые, как говорилось ранее, обладают полной взаимной растворимостью в жидком состоянии, а при затвердевании образуют не твердый раствор, а механическую смесь кристаллов Pb и Sb.

В этом случае поле диаграммы разделено на пять областей линиями: ликвидуса acb, солидуса dсe и эвтектической cf. Выше линии ликвидуса сплав находится в жидком состоянии и представляет собой однородный жидкий раствор. Ниже линии солидуса сплав, состоящий из кристаллов свинца и сурьмы, находится в твердом состоянии. Между линиями ликвидуса и солидуса сплав находится в стадии кристаллизации.

Проследим за изменениями состояния сплава с изменением температуры при различных содержаниях свинца и сурьмы. Как видно из диаграмм, а также из рис. 8, чистые металлы начинают кристаллизоваться соответственно при 327 и 631° С, а эвтектика — при 245° С. Сплав, состоящий из 90% свинца и 10% сурьмы, начинает кристаллизоваться при температуре 270° С, отвечающей линии ас.

При этом из жидкости выпадают кристаллы чистого свинца. Этот процесс продолжается до температуры 245° С, отвечающей линии cd. Оставшаяся жидкость при 245° С превращается в эвтектику — механическую смесь кристаллов свинца и сурьмы. Таким образом, этот сплав в твердом состоянии состоит из кристаллов свинца и эвтектики. Аналогично сказанному изменяется состояние сплава, содержащего 20% свинца и 80% сурьмы, с той лишь разницей, что кристаллизация начнется при температуре 540°С и после затвердевания сплав будет состоять из кристаллов сурьмы и эвтектики.

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых обладают ограниченной растворимостью в твердом состоянии


В целях упрощения на рис. 11 приведена только часть диаграммы состояния сплавов алюминия с медью (Al—Cu). Эти металлы в жидком состоянии обладают полной взаимной растворимостью, а в твердом — ограниченной, к тому же зависящей от температуры. Поле диаграммы делится на несколько областей, из которых рассмотрим только области, прилегающие к левой стороне диаграммы, отвечающей деформируемым алюминиевым сплавам. Выше линии acb, как и в предыдущих случаях, сплав образует однородный жидкий раствор. В области треугольника acd одновременно существуют жидкий раствор и кристаллы твердого раствора меди в алюминии, обозначаемые а. В области adf находится только твердый раствор а, наконец, в области dfk находится в твердом состоянии сплав, состоящий из кристаллов а и химического соединения меди с алюминием CuAl2.

Характерной особенностью настоящей диаграммы является линия df, отвечающая предельной растворимости меди в алюминии. Как видно из диаграммы, максимальное содержание меди в алюминии достигается при температуре 548°С и составляет 5,65%. С понижением температуры содержание меди в твердом растворе а постепенно уменьшается. Так, например, при 400 и 300' С, как это можно видеть по ходу линии df, содержание меди в твердом растворе соответственно составляет только 1,4 и 0,95%, а при комнатной температуре оно не превышает 0,2 %.

Проследим за изменением состояния алюминиевого сплава, содержащего 4% меди (дуралюмины Д1 и Д16) при медленном его охлаждении.

Выше линии ликвидуса (см. рис. 11) сплав находится в жидком состоянии. При температуре, отвечающей точке t1, сплав состоит из жидкости и кристаллов твердого раствора ос. В интервале температур t2 и t3 сплав находится в твердом состоянии и представляет собой твердый раствор, состоящий из алюминия и 4% меди. При дальнейшем охлаждении из твердого раствора выпадает химическое соединение CuAl2, вследствие чего концентрация меди в твердом растворе снижается по линии df. По окончании охлаждения до комнатной температуры структура сплава будет состоять из слабоконцентрированного твердого раствора ос и выпавших кристаллов CuAl2, распределенных главным образом по границам кристаллов а.

При вторичном нагреве сплава указанные превращения в нем будут происходить в обратном порядке, в частности химическое соединение CuAl2 вновь перейдет в твердый раствор и содержание меди в последнем будет возрастать по линии df. Если сплав, нагретый, предположим, до 520° С, вновь охладить, но не медленно, как это было показано выше, а быстро, погружая в холодную воду, то выделения химического соединения CuAl2 из твердого раствора не произойдет и сплав будет состоять только из кристаллов твердого раствора меди в алюминии. Такой раствор является пересыщенным и поэтому неустойчивым. Обычно твердость и прочность сплавов, состоящих из пересыщенных растворов, возрастают, изменяются также другие свойства.

Другим примером диаграмм состояния с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии может служить диаграмма сплавов меди с цинком. Часть такой диаграммы приведена на рис. 12. Как видно из диаграммы, предельная растворимость цинка в меди при комнатной температуре составляет 38% и практически не меняется до температуры 453° С. При дальнейшем повышении температуры растворимость цинка уменьшается и при 903° С составляет 32,5%. Сплавы меди с цинком при содержании цинка до 38%, называемые a-латунями и представляющие собой твердые растворы, обладают высокой пластичностью и потому хорошо обрабатываются давлением в холодном состоянии. Латуни с более высоким содержанием цинка также представляют твердые растворы, основой которых служит не чистый металл, а химическое соединение CuZn.

Эти латуни, как например Л59, обладают низкой пластичностью в холодном состоянии, но хорошо обрабатываются давлением в горячем состоянии.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна