Статья: Сплавы с неограниченной растворимостью компонентов

Условия неограниченной растворимости

Чтобы описать свойства сплава используются следующие понятия:

1. Компоненты – это вещества, которые образуют систему. Компонентами могут быть химические соединения, металлы и неметаллы. По количеству компонентов различают двойные, тройные и многокомпонентные сплавы. Компонент сплава может быть легирующим, случайным или основным.
2. Фаза, представляющая собой однородную по свойствам, химическому составу и кристаллическому строению часть системы, которая от других частей отделена поверхностью раздела. Примерами однофазной системы являются твердый чистый металл, однородная жидкость, а двухфазной системы механическая смесь двух видов кристаллических веществ.
3. Система, которая является совокупностью фаз, которые находятся в равновесном состоянии при определенных внешних условиях - давление и температура.

Растворимость в твердом состоянии может быть ограниченной или неограниченной. Неограниченной растворимостью обеспечивается замещение в кристаллической решетке любого количества атомов компонента. Она возможна при следующих условиях:

1. Близкое соответствие строения валентных оболочек атомов компонентов сплава.
2. Наличие у компонентов сплава кристаллических решеток одного типа.
3. Несущественное отличие размеров атомов компонентов сплава - не более 8 %.

Примерами сплавов с неограниченной растворимостью компонентов являются: медь - никель, железо - хром, железо-никель. Если сплав полностью не удовлетворяет вышеперечисленным условиям, то образуется твердый раствор замещения с ограниченной растворимостью компонентов.

Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов

На рисунке ниже представлена типовая диаграмма состояния для сплавов с неограниченной растворимостью компонентов. Компоненты данного сплавов неограниченно растворимы в твердом состоянии и не образуют химических соединений.

Рисунок 1. Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов.

Компоненты рассматриваемого сплава А и В, а - твердый раствор, Ж - жидкая фаза, линия А”nB” - солидус или геометрическое место точек критических температур кристаллизации всех сплавов рассматриваемой системы при начале плавления нагревом и при охлаждении, линия А”mВ” - геометрическое место точек критических температур начала кристаллизации всех сплавов рассматриваемой системы при охлаждении и конце плавления нагревом. На рисунке ниже представлена кривая охлаждения сплава 1 рассматриваемой системы и его структурная схема при нормальной температуре.

Рисунок 2. Кривая охлаждения сплава 1 рассматриваемой системы и его структурная схема при нормальной температуре.

В процессе кристаллизации сплава 1 происходят следующие процессы:

1. До температуры 1-1 жидкий сплав охлаждается.
2. В точке температуры 1-1 начинается зарождение центров кристаллизации.
3. В интервале температур 1-1 - 2-1 из жидкого сплава кристаллизуется твердый раствор - а, состав которого изменяется согласно линии солидуса на участке 1С1 - 2-1, а состав жидкой фазы по линии 1-1 - 2С1.
4. В соответствии с диаграммой состояния в интервале температур 1-1 - 2-1 образуются кристаллы твердого раствора, которые более богаты тугоплавким элементом В, что приводит к возникновению неоднородности химического состава в пределах зерна.

В случае равновесного охлаждения состав сплава успевает выравниваться благодаря диффузии, и структура сплава становится однородной. На линиях нонвариантных равновесий и в двухфазных областях диаграммы двойной системы моно определить количественное соотношение фаз и концентрацию компонентов в фазах при помощи правила отрезков. Чтобы определить концентрацию компонентов в фазах через точку, которая характеризует состояние сплава, проводится горизонтальная линия или конода до пересечения с линиями, которые ограничивают данную область; проекции точек пересечения на ось концентраций фаз. Допустим, что необходимо определить состав фаз для рассматриваемого сплава при температуре t*.

Проводится горизонталь до пересечения с линиями, которые ограничивают область АсВсАс, в итоге получаются точки пересечения а и b. Проекция точки а на ось состава определяет следующее - жидкая фаза состоит из 40 % компонента В и 60 % компонента А. Проекция точки b показывает, что твердый раствор состоит из 20 % компонента А и 80 % компонентов В. Для того, чтобы определить количественное соотношение фаз согласно правила отрезков, нужно через заданную точку провести горизонталь до пересечения с ближайшими линиями диаграммы состояния. Отрезки данной линии, находящиеся между заданной точкой и точкой пересечения, определяющие фазовый состав, обратно пропорциональны числу этих фаз.