Рассмотрим диаграммы состояния систем сплавов, состоящих из двух компонентов

Диаграммы подобного рода строятся в координатах: «x – y». Ось «у» – температурная, а ось «х» – ось концентраций. На оси «у» отмечаются точки, каких-то превращений (их называют критические точки), положим, элемента «А». По оси «х» откладывается концентрация элемента «В». Начало отсчета – 0 % «В», что соответствует 100 % элемента «А», так как в сумме сплав всегда содержит 100 % обоих компонентов.

Точка 100 % на оси концентраций соответствует только одному «В» и 0 % «А». Из этой точки проводится ось температур для элемента «В» с его критическими точками. У некоторых металлов одна критическая точка, это температура плавления и затвердевания, но у многих их несколько, т. е. есть превращения в твердом состоянии!

На рис. 4 представлены разновидности диаграмм состояния для сплавов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии. Кстати, золото с медью имеют диаграмму типа рис. 4, в.

На рис. 5, а представлена диаграмма состояния системы сплавов, когда компонент В ограниченно растворяется в А, и, в свою очередь, А ограниченно растворяется в В. Но при содержании элементов большем, чем они могут раствориться друг в друге, образуется смесь этих растворов.

На рис. 5, б представлена диаграмма состояния сплавов, образующих механическую смесь. Эти элементы не вступают во взаимодействие с образованием новых фаз, и структура будет представлять собой кристаллы металлов А или В, окруженных эвтектикой, т. е. смесью мелких кристаллов А и В, в виде пластинок или зерен.

На рис. 6 представлена диаграмма состояния системы сплавов, когда компоненты А и В образуют химическое соединение А_mB_n. В свою очередь, химическое соединение А_mB_n вступает во взаимодействие с элементами его образовавшими, т. е. с А и В. В данном случае химическое соединение и компоненты образуют механические смеси.

Несколько пояснений об обозначениях на диаграммах. Твердые растворы всех типов на диаграммах и в текстах обозначаются малыми буквами греческого алфавита, например α, β, δ, γ. Это говорит о том, что образовалось новое вещество со своими, особыми свойствами и строением! Буквы А или В – элементы (можно их обозначить и другими буквами). Химические соединения обозначаются по общему принципу. Например, в системе Fe – C (железо – углерод) химическое соединение A_mB_n обозначает не что иное, как Fe₃C!

С какой целью приведены эти диаграммы состояния, которые Вы изучаете в курсе материаловедения? Единственная цель: запомнить виды диаграмм состояния для каждого типа взаимодействия. Если Вы их запомните, то в любой сложной диаграмме разберетесь легко!

Все типы диаграмм взаимодействия компонентов, при образовании сплавов, характеризуются особой формой их изображения. Диаграмма, у которой область перехода из твердого состояния в жидкое, или наоборот, имеет линзообразную форму, – это диаграмма с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии.

Для сплавов, образующих механическую смесь, характерной является диаграмма на рис. 5, б: она всегда содержит эвтектическую точку «Е».

Для сплавов, образующих химическое соединение, на оси концентраций имеется точка, соответствующая этому соединению, и из нее восстанавливается температурная ось с критическими точками для этого соединения. В свою очередь, химическое соединение может вступать с элементами, его образовавшими, в новое взаимодействие. Из рис. 6 видим, что химическое соединение с элементами «А» и «В» образует механические смеси.

Диаграмма с ограниченной растворимостью как бы состоит из двух частей, из незавершенных линзоподобных областей образования ограниченных твердых растворов (α, β, δ, γ) и области механической смеси из твердых растворов.

Любая диаграмма, сколь сложной бы она ни была, всегда состоит из комбинации этих элементов! И ее легко разобрать. Следует помнить, что выше самой верхней линии на диаграмме любой сплав находится в жидком состоянии, и эту область обозначают обычно буквой «L».

Не надо запоминать, какие фазы или структурные составляющие присутствуют в той или иной области диаграммы, для этого существует «правило рычага» или «правило отрезков»! Мы воспользуемся лишь его положениями.

Но прежде надо восстановить в памяти то, что чистые металлы (без примесей) плавятся и кристаллизуются, т. е. затвердевают, при постоянной температуре, а все сплавы (независимо от состава) – в интервале температур, исключение составляет эвтектическая смесь, она плавится и затвердевает при постоянной температуре! Следовательно, на диаграмме для сплавов существует температурная область перехода из одного состояния в другое, а для эвтектики – точка (на всех приведенных диаграммах она обозначена «Е»). Следует дать определение, что такое эвтектика. Эвтектика, для всех видов соединений (диаграммы сплавов образующие механические смеси, ограниченные твердые растворы, химические соединения, которые взаимодействуя с элементами его создавшими, образуют механическую смесь) представляет собой очень мелкие, чередующиеся кристаллики фаз, кристаллизующихся одновременно. Этими фазами могут быть: металлы, твердые растворы и химические соединения. Чтобы узнать, из каких фаз состоит эвтектика – смотрите далее.

И еще одно замечание – при увеличении температуры, как в твердом, так и в жидком состоянии, растворимость элементов в металле-растворителе возрастает!

Рассмотрим правило отрезков применительно к диаграмме компонентов, образующих механическую смесь (рис. 5, б).

Рассмотрим это правило на примере сплава состава точки «G» (на оси состава). Будем изучать состояние данного сплава в процессе нагрева. Но что произойдет в точке «F» при нагреве? Для этого продлим вертикальную линию, т. е. повысим температуру, и попробуем определить, в каком состоянии будет находиться сплав выше точки «F». Для этого выберем любую точку для этого сплава при температуре большей, чем точки «F» – положим, «D», и проведем горизонталь до линий, ограничивающих данную область. Правый конец покажет, что в данной области присутствуют кристаллы элемента «В», а левый пересечет линию, выше которой сплав находится в жидком состоянии, т. е. «L». Следовательно, в точке «D» присутствует жидкий расплав «L» и кристаллы «В». Отсюда ясно, что в точке «F» начнется плавление сплава, так как в области, лежащей выше, находятся кристаллы «В» + «L» (жидкость).

Легко определять с помощью правила отрезков состав эвтектики на любой диаграмме состояния: концы горизонтали, проходящей через точку эвтектики «Е», покажут ее состав (для сплавов на рис. 5, эвтектика состоит из кристаллов «А» и «В»)!