Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии

Для образования сплава с неограниченной растворимостью в твердом состоянии компоненты, образующие сплав, должны обладать одинаковым типом кристаллической решетки и небольшим различием атомных диаметров
(не более 8 %).

К числу таких сплавов относятся сплавы Cu – Ni, Co – Ni, Fe – Cr, Fe – Ni. Если различие атомных диаметров находится в пределах от 8 до 15%, то образуются ограниченные твердые растворы, если различие атомных диаметров превышает 15%, образуются химические соединения или смеси.

В качестве примера сплава, затвердевающего в соответствии с диаграммой состояния сплавов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии, рассмотрим процесс кристаллизации сплава Cu – Ni (рис. 13.2).

Рис. 13.2. Диаграмма состояния Cu – Ni (а) и кривая охлаждения (б)

При температурах выше соответствующих АСВ сплав находится в состоянии однородного жидкого раствора, в котором атомы меди равномерно перемешаны с атомами никеля. При температурах ACB жидкий раствор становится насыщенным по отношению к α-фазе и начинается кристаллизация сплава.

В интервале температур ACВ и ADB в равновесии находятся насыщенные жидкий и твердый растворы. При температурах ADB – кристаллизация заканчивается и ниже этой температуры – ненасыщенный твердый раствор охлаждается без каких-либо превращений.

Рассмотрим кристаллизацию сплава Cu – Ni, содержащего 60% Ni и
40% Cu.

В точке 1 сплав находится в жидком состоянии. При охлаждении сплава до температуры t ₂ начинается кристаллизация сплава (критическая точка 2). На кривой охлаждения отмечается перегиб, связанный с уменьшением скорости охлаждения вследствие выделения скрытой теплоты кристаллизации.

При достижении температуры t ₃ (критическая точка 3) сплав полностью затвердевает и при более низких температурах существует только α-твердый раствор. Точка 2′, спроектированная на ось концентрации, покажет состав первых образующихся кристаллов, твердого раствора. При дальнейшем охлаждении состав кристаллов меняется от 2′ до 3, а состав жидкой фазы от 2 до 3′, т.е. РФП: .

Согласно диаграмме, в момент окончания процесса кристаллизации при достаточной скорости диффузии концентрация твердого раствора должна соответствовать линии сплава (т.е. 40% Сu и 60% Ni).

В реальных условиях скорость охлаждения настолько велика, что диффузия не успевает выровнять состав образующегося твердого раствора. В результате полученные зерна твердого раствора будут неоднородны по составу (дендритная или внутрикристаллическая ликвация). Чем больше температурный интервал кристаллизации сплава (т.е. разность температур между солидусом и ликвидусом), тем больше проявляется дендритная ликвация.

Для устранения дендритной ликвации сплавы такого типа подвергают диффузионному отжигу (гомогенизации) – нагреву до температуры, лежащей на 80 – 100° ниже температуры солидус, и длительной выдержке при этой температуре. Структура сплава после диффузионного отжига будет более однородной.

Сплавы, затвердевающие в соответствии с диаграммой состояния сплавов с неограниченной растворимостью, в твердом состоянии могут упрочняться при наклепе (нагартовке), но не упрочняются при термической обработке.