В твердом состоянии

Диаграмма состояния сплавов, испытывающих превращения

Кроме первичных превращений, т. е. превращений, связанных с переходом из жидкого состояния в твердое, в сплавах часто наблю­даются вторичные превращения, происходящие в твердых сплавах при их нагреве или охлаждении. Примером таких превращений являются: изменение растворимости компонентов, аллотропические превращения, упорядочение твердых растворов. Эти превращения имеют важное значение на практике, так как обусловливают возможность термической обработки сплавов.

Рис. 23. Диаграмма состояния сплавов с переменной растворимостью

компо­нентов в твердом состоянии

Переменная растворимость. Примеры диаграмм состояния, когда в сплавах изменяется растворимость компонентов с изменением температуры, приведены на рис. 23.

Кристаллизация сплава I (рис. 23, а) до точки 3 происходит аналогично кристаллизации сплава I (см. рис. 20, а). При дальней­шем охлаждении (ниже точки 3) сплав попадает в двухфазную об­ласть. Поскольку сплав находится левее точки F, в его структуре не может быть эвтектики. Вторая фаза выделяется в результате уменьшения растворимости атомов компонента В в кристаллической решетке компонента А, т. е. в результате уменьшения концентрации атомов В и твердом растворе a при температуре t_t (линия эвтекти­ческого превращения FCK) твердый раствор a имеет концентрацию атомов В – а₁, при t₂ - а₂, при t₃ - а₃, причем а₁ > а₂ > а₃.

Таким образом, линия FM на диаграмме является линией пере­менной растворимости. Кристаллы В (или b на рис. 23, б), выделив­шиеся из твердого a-раствора, называются вторичными кристаллами и обозначаются В₂, b₂, a₂. Физические и химические свойства вторичных кристаллов те же, что и первичных, различие в размерах и форме.

Если сплав охлаждается медленно и температура, при которой начнется выделение вторичной фазы, высокая, то диффузия проте­кает с достаточной скоростью, выделение вторичной фазы происходит в основном по границам зерна в виде сетки и частично внутри него. При низкой температуре превращения или ускоренном охлаждении вторичные фазы выделяются в основном внутри зерна в виде дисперс­ных включений.

Если один из компонентов испытывает аллотропическое превраще­ние при изменении температуры, то это отразится на линиях и точ­ках диаграммы состояния. На рис. 24 приведены примеры диаграмм состояния для различных взаимодействий компонентов. На рис. 24, а показано, что один из компонентов, образующих только гетерогенную смесь, испытывает аллотропическое превращение. Согласно правилу фаз (фазы А_ъ А₂ и В), с =2 - 3 + 1 = 0, т. е. превра­щение происходит при постоянной температуре.

Если в системе с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии оба компонента испытывают аллотропическое превращение и изоморфны обе модификации, например Ti - Zr, то на диаграмме имеются две области неограниченной растворимости в твердом состоянии (рис. 24, б). В твердом растворе превращение протекает в интервале температур (две фазы a и b, следовательно, с = 1).

На рис. 24, в приведена диаграмма состояния для случая, когда компонент А испытывает аллотропическое превращение, а кристаллы компонента В будут изоморфны высокотемпературной модифика­ции А.

Возможно и такое взаимодействие компонентов, когда низкотем­пературные модификации ограниченно растворимы, а высокотем­пературные - растворимы неограниченно друг в друге (рис. 24, г). В этом случае устанавливается нонвариантное равновесие (линия KN), так как, согласно правилу фаз,

g_C ® a_K + b_N,

т. е. с = 0.

Это превращение аналогично эвтектическому, но в нем не принимает участия жидкая фаза: превращение испытывает твердый раствор g. По аналогии такие превращения называются эвтектоидными. В результате такого превращения образуется мелкодисперсная смесь a_K + b_N, называемая эвтектоидом. Термодинамически эвтектоидное превращение ничем не отличается от эвтектического.

Рис. 24. Диаграммы состояния с превращениями в твердом состоянии

На рис. 24, д приведен другой пример превращения, когда твер­дый раствор также полностью распадается. Такое превращение можно записать в следующем виде:

Число степеней свободы с = 0, следовательно, это превращение будет совершаться при постоянной температуре. Также по аналогии такое превращение называется перитектоидным.

Упорядочение твердых растворов. Как было отмечено ранее, в твердых растворах при охлаждении возможно изменение рас­положения атомов - происходит упорядочение. На каждый атом растворяющегося компонента приходится определенное число атомов растворителя. При нагреве вследствие процесса самодиффузии атомы хаотично перемещаются внутри кристалла и его упорядоченность нарушается. На диаграмме область упорядоченного твердого раствора отделяют пунктирной линией, упорядоченный и неупорядоченный твердый раствор отмечают одной и той же буквой (например, a иa¢, bиb¢).