Диаграмма состоянии сплавов
Диаграмма состояний сплавов — механических смесей рассматривается на примере совокупности свинец—сурьма.
Сплавы свинца с сурьмой употребляются в типографском деле для шрифтов, на ЖД транспорте в качестве свинцовых баббитов для подшипников, при штамповке подробностей из листовых алюминиевых сплавов в качестве материала для отливки штампов.
Для построения диаграммы состояний термическим способом необходимо иметь в качестве исходных материалов чистые свинец и сурьму, а в качестве приборов и оборудования — печь, тигель, секундомер и термоэлектрический пирометр. Термоэлектрический пирометр для низкоплавких сплавов возможно заменен обычным ртутным термометром.
Сплавляя свинец и сурьму, возможно взять нескончаемое множество сплавов, разных по составу.
Но для построения диаграммы состояний достаточно забрать пара составов:
0% РЬ, 100% Sb. 25% РЬ, 75% Sb 50% РЬ, 50% Sb 87% РЬ, 13% Sb 90% РЬ, 10% Sb 95% РЬ, 5% Sb 100% РЬ, 0% Sb.
сплавы и Чистые компоненты последовательно расплавляются и после этого подвергаются охлаждению, в ходе которого проводится наблюдение за падением температуры с отсчетами через равные промежутки времени. По взятым данным строятся термические кривые охлаждения, каковые имеют вид, представленный в левой части рис. 2.
Рис. 1. Схема строения кристаллической решетки сплава — химического соединения
Чистые сурьма и свинец имеют по одной критической точке, характеризуемой остановкой в виде горизонтальной площадки на соответствующей температурной кривой, левая крайняя точка горизонтального участка на обеих кривых соответствует началу, а правая — финишу кристаллизации этих металлов.
На кривых для сплавов 2, 3, 5 и 6 отмечается по две критические точки: верхняя в виде перелома кривой, нижняя в виде температурной остановки.
Рис. 2. Схема построения диаграммы состояний по термическим кривым
Сплав, содержащий 13% свинца и 87% сурьмы, имеет одну критическую точку в виде температурной остановки; его поведение по виду термической кривой напоминает поведение чистых металлов. Но указанная критическая точка лежит существенно ниже, чем точки затвердевания чистых компонентов.
Сплав с 13% сурьмы — особенный сплав в совокупности и его именуют эвтектическим; природа этого сплава будет обрисована ниже. Сплавы с концентрацией меньше 13% сурьмы именуют доэв-тектическими, а с большей концентрацией — заэвтектическими.
В случае если следить за поведением доэвтектических сплавов перед моментом образования перелома на термической кривой, в момент перелома и потом до наступления второй критической точки, то возможно легко понять, что выше критической точки 1 сплавы будут в жидком состоянии и что в момент наступления перелома на кривой (точка /) в них начинается процесс затвердевания с выделением первых кристалликов.
Данный процесс длится впредь до наступления температурной остановки (точка 2).
Кристаллики, образующиеся в температурном промежутке от точки 1 до точки 2, возможно легко отделить от жидкого сплава и проанализировать. Химический анализ продемонстрирует, что они складываются из чистого свинца. Следовательно, доэвтектические сплавы в промежутке критических температур кристаллизуются с выделением кристаллов чистого свинца.
Подобно изложенному заэвтектические сплавы в промежутке критических температур от точки 1 до точки 2 выделяют кристаллы чистой сурьмы. Принципиально важно подчернуть, что точка / начала кристаллизации чистого свинца в доэвтектических сплавах понижается с увеличением концентрации сурьмы. Подобно точка / начала кристаллизации чистой сурьмы в заэвтектических сплавах понижается с увеличением концентрации свинца.
чистая сурьма и Чистый свинец, выделяющиеся соответственно в доэвтектических и заэвтектических сплавах как избыток против эвтектического состава, именуются избыточными.
Точка 2 свойственна всем доэвтектическим и заэвтектическим сплавам, не считая чистых металлов, и лежит она для всех сплавов при одной и той же температуре 246°. Эвтектический сплав имеет лишь нижнюю критическую точку 2, лежащую при той же температуре. Нижняя точка 2 есть температурой конца и начала кристаллизации жидкой части сплава, оставшейся по окончании выпадения кристаллов избыточного свинца в доэвтектических и кристаллов излишней сурьмы в заэвтектических сплавах.
В случае если проанализировать в сплавах 2, 3, 4, 5 и 6 состав жидкой части перед самой точкой 2, то окажется, что данный состав в любых ситуациях совсем однообразен и равен эвтектическому — 13% свинца и 87% сурьмы. Таковой жидкий раствор определенного состава именуют жидким раствором эвтектической концентрации. В точке 2 при 246° начинается и заканчивается кристаллизация этого раствора.
Наряду с этим компоненты неспособны образовывать жёсткий раствор, а дают механическую смесь кристаллов чистой сурьмы и чистого свинца. Эта смесь именуется эвтектикой.
Таков физический суть процессов, наблюдающихся при охлаждении сплавов совокупности свинец—сурьма и отражающихся на термических кривых в виде критических точек.
Верхние и нижние критические точки, сведенные в один график с координатами температура — концентрация, дают диаграмму состояний. Наряду с этим критические точки переносятся на ординаты, соответствующие концентрации выбранных для изучения сплавов (см. рис. 2).
Соединяя линией верхние критические точки, возьмём кривую из двух ветвей АЕ и ЕС, именуемую линией ликвидус (от атинского liquidus — жидкий). Линия BED, соединяющая нижние критические точки, есть горизонтальной прямой, носящей наименование солидус (от латинского solidus — жёсткий) либо для данного типа диаграммы — эвтектической горизонтали.
Полученная диаграмма состояний разрешает угадать поведение любого сплава совокупности свинец—сурьма при охлаждении и нагревании.
Изучая поведение того либо иного сплава, последний принято обозначать на диаграмме в виде ординаты, соответствующей по положению на оси абсцисс составу (концентрации) этого сплава. Так, к примеру, сплав состава.5% свинца и 95% сурьмы изображен на диаграмме (рис. 18) ординатой, сплав свинца 50% и состава 50% сурьмы — ординатой II-II и т. д.
Рис. 19. Диаграмма состояний сплавов свинца с сурьмой
В случае если требуется изобразить этот сплав при определенной температуре, то на указанной ординате обозначают точку, соответствующую данной заданной температуре. Точка, изображающая на диаграмме состояний сплав определенного состава при заданной температуре, именуется фигуративной. Перемещение фигуративной точки по ординате сплава вверх либо вниз обозначает соответственно нагревание либо охлаждение сплава.
В случае если разглядеть какой-нибудь конкретный сплав, к примеру сплав с 50% свинца и 50% сурьмы, при различных температурах (рис. 3), то окажется, что о состоянии сплава, к примеру при охлаждении, возможно делать выводы по положению фигуративной точки на ординате сплава.
Такое рассмотрение полезно вести, имея в виду и термическую кривую охлаждения для данного сплава (рис. 3, справа). В случае если фигуративная точка 1 лежит выше линии верхних критических точек (линии ликвидус), то сплав будет в состоянии жидкого раствора компонентов друг в друге.
При остывании сплава до температуры точки 2, лежащей на линии ликвидус, он еще всецело будет в состоянии жидкого раствора. Но при данной температуре жидкий раствор выясняется насыщенным до предела, т. е. готовым при мельчайшем понижении температуры начать выделение кристаллов пересыщающего компонента, в этом случае сурьмы.
В случае если сплав характеризуется фигуративной точкой 3, лежащей между линией ликвидус и линией солидус, то в нем длится кристаллизация чистой сурьмы, начавшаяся на линии ликвидус, причем оставшийся жидкий раствор за счет выделения из него избытка сурьмы обогащается свинцом, неспешно приближаясь к эвтектическому составу (13% Sb и 87% РЬ).
Выделяющаяся теплота кристаллизации сурьмы замедляет охлаждение, благодаря чего термическая кривая ниже точки 2 есть более пологой, чем до данной точки (рис. 3, справа).
При охлаждении сплава до температуры, соответствующей фигуративной точке, кристаллизация излишней сурьмы всецело заканчивается, а жидкий раствор, получая совершенно верно эвтектический состав, при данной температуре начинает кристаллизоваться в виде механической смеси кристалликов чистой сурьмы и чистого свинца. Процесс кристаллизации эвтектики соответствует на термической кривой охлаждения участку 4-4’ (рис.
3, справа), где точка 4 — начало, а точка 4’ — финиш кристаллизации эвтектики во времени. Температура кристаллизации постоянна и равна температуре эвтектической горизонтали 246°.
При предстоящем охлаждении в промежутке от эвтектической горизонтали до комнатной температуры и ниже сплав сохраняет собственную структуру без трансформации (точка 5).
Охлаждение любого доэвтектического сплава приведет к подобным итогам с той отличием, что в промежутке критических температур будет выпадать избыточный свинец, а не сурьма. При температуре нижней критической точки так же, как и прежде будет кристаллизоваться эвтектика.
В случае если на основании разобранных примеров разглядеть сейчас поведение разных сплавов в зависимости от того, в какой области диаграммы состояний будут пребывать их фигуративные точки, то возможно указать следующие неспециализированные закономерности ( Рис. 19, слева).
I область соответствует для всех сплавов состоянию однородных жидких сурьмы и растворов свинца.
II область — в сплавах присутствуют избыточные кристаллы свинца + жидкий раствор.
III область —в сплавах присутствуют избыточные кристаллы сУрьмы + жидкий раствор.
IV область — в сплавах присутствуют избыточные кристаллы сурьмы + эвтектика.
V область — в сплавах присутствуют избыточные кристаллы свинца + эвтектика.
Рис. 4. Микроструктуры сплавов свинца с сурьмой: а — доэвтектического; б — эвтектического; в — заэвтектического. Ув.
200, травитель — 2% HN03 в спирте
Структуры затвердевших сплавов разной концентрации при рассмотрении в микроскоп весьма свойственны и значительно отличаются друг от друга.
На рис. 4 представлены микрофотографии образцов разных сплавов совокупности РЬ — Sb.
На рис. 4, а представлена структура доэвтектического сплава, содержащая избыточный чистый свинец в виде дендритов чёрного цвета и черно-белую кружевного вида составляющую— эвтектику.
На рис. 4, б изображена микроструктура эвтектического сплава, содержащая лишь черно-белую составляющую — чистую эвтектику.
На рис. 4, в структура заэвтектического сплава характеризуется наличием кристаллов излишней эвтектики и сурьмы.
чистая сурьма и Чистый свинец имеют зернистое полиэдрическое строение.
Компоненты, образующие сплавы — механические смеси, имеют следующие характерные изюминки:
1. В жидком состоянии такие компоненты неограниченно растворимы друг в друге.
2. В жёстком состоянии они нерастворимы и образуют механические смеси.
3. Пребывав в определенном весовом соотношении, образуют при кристаллизации однородную механическую смесь — эвтектику, складывающуюся из кристаллов чистых компонентов и владеющую самая низкой температурой плавления.
