Что означают ликвидус и солидус сплавов
Диаграммы состояния сплавов
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.
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.
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.
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.
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.
Линия солидус – линия конца кристаллизации
Линия ликвидус – линия начала кристаллизации.
Линия, ограничивающая область полностью кристаллизовавшегося сплава от остальной области на диаграмме состояний, называется линией солидус.
Диаграмма состояния II рода для неограниченных твердых растворов
Примером сплавов с такими диаграммами состояния являются сплавы системы Cu ‑ Ni.
Рис. 6.3. Диаграмма состояния, кривые охлаждения и схемы
структур сплавов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии
Диаграмма состояния III рода для ограниченных твердых растворов
Этот тип диаграмм очень важен в практическом отношении, так как часто представлен в составе сложных диаграмм широко распространенных промышленных сплавов.
В рассматриваемой системе ограниченная растворимость компонентов в твердом состоянии может быть постоянной и может быть переменной. Оба рассматриваемых случая представлены на рис.6.4 (соответственно линии EN и DF). В итоге имеем диаграмму состояния с двусторонней ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии.
В такой системе компоненты А и Вне могут при затвердевании образовывать собственных кристаллов, так как они между собой образуют твердые растворы α и βСоответственно в области, лежащей слева от линии EN при кристаллизации из жидкости начинают выделяться кристаллы твердого раствора α. В интервале кристаллизации сплавы имеют двухфазную структуру (Ж + α ). После завершения кристаллизации и вплоть до окончательного охлаждения все эти сплавы имеют структуру однородного твердого раствора α. Аналогичная ситуация имеет место у всех сплавов, расположенных правее точки F, где образуются кристаллы β-твердого раствора.
У сплавов, расположенных в интервале между точкой F и проекцией точки D, первичная кристаллизация в интервале между ликвидусом и солидусом с образованием кристаллов β-твердого раствора. При этом сплавы после завершения кристаллизации вплоть до пересечения с линией DF имеют однородную структуру β-твердого раствора. При дальнейшем же охлаждении этих сплавов (например, сплава IV ниже точки 3) вплоть до полного охлаждения в структуре этих сплавов происходят изменения, связанные с выделением из β-твердого раствора второй фазы αп(например, у сплава IV), причиной появления которой является уменьшение предела растворимости β-твердого раствора при понижении температуры сплава. На это указывает наклонный характер кривой DF. При понижении температуры твердый раствор βстановится пересыщенным компонентом А, и для приведения системы в равновесие из этого твердого раствора β выделяется избыток растворенного компонента А. Но так как в данной системе чистые компоненты не могут существовать как самостоятельные фазы (они должны образовывать твердые растворы), то на базе избыточных кристаллов компонента А образуется сразу же вторичный α-твердый раствор (αп), кристаллы которого и выделяются из β-твердого раствора и располагаются в виде мелкодисперсных включений внутри зерен основной фазы β. Такие избыточные кристаллы, выделяющиеся не из жидкости, а из твердой фазы, обозначаются αII (вторичные кристаллы), а сам процесс выделения новой фазы в твердом состоянии называетсявторичной кристаллизацией.
Рис.6.4. Диаграмма состояния, кривые охлаждения и схемы образования структур сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состоянии и с эвтектическим превращением
Все сплавы, расположенные между точками С и Е, называются доэвтектическими. Их кристаллизация будет начинаться с выделения кристаллов α-твердого раствора (например, сплава II в точке 1). В интервале кристаллизации (например, между точками 1 и 2) у этих сплавов будет структура (Ж + α). По линии ЕС в этих сплавах образуется эвтектика (α + β). После окончательного охлаждения Эти сплавы будут иметь структуру α + Эвтектика (α + β).
Все сплавы, расположенные между точками С и D, называются заэвтектическими. Их кристаллизация будет начинаться с выделения кристаллов β-твердого раствора (например, у сплава III в точке 1). В интервале кристаллизации (например, у сплава III между точками 1 и 2) эти сплавы имеют структуру (Ж + β). На линии CD у заэвтектических сплавов будет образовываться эвтектика (α + β).
При дальнейшем охлаждении заэвтектических сплавов в их структуре будут проходить последующие превращения, которых не было в доэвтектических сплавах. Причиной этих превращений является наклонный характер линии DF. Как уже было показано ранее, при наклонном характере кривой растворимости компонента А в компоненте В (линия DF) с понижением температуры предельная растворимость А в В становится меньше того количества А, которое в данный момент присутствует в сплаве. Поэтому из твердого раствора β будет выделяться αп. Следовательно, все заэвтектические сплавы ниже температуры эвтектического превращения (например, сплав III ниже точки 2) будут иметь следующую структуру: β + Эвтектика (α + β) + αп Эта структура содержит три структурных составляющих: β, Э(α + β) и αII.
Диаграмма состояния IV рода для химических соединений.
Такая диаграмма изображена на Рис.6.5.
Примером диаграмм этого типа является диаграмма состояния сплавов системы Mg‑Са.
Химическое соединение (например, АnВm) характеризуется определенным соотношением компонентов (например, n% компонента А и m% компонента В). На оси концентрации компонентов (ось абсцисс) химическое соединение обозначает точку, из которой выходит вертикальная линия, фактически разбивающая диаграмму на две простые диаграммы, в которых химическое соединение выступает уже в качестве самостоятельного компонента и, соответственно, образует эвтектики с компонентом А и с компонентом В.
Рис.6.5. Диаграмма состояния с устойчивым химическим соединением