Материаловед

Графическое изображение фазового состояния сплава как функции температуры и концентрации носит название диаграммы состояния. Диаграммы строят для условий равновесия или близких к ним. Истинное равновесие в практических условиях достигается крайне редко.

Академик Н. С. Курнаков установил, что между химическим составом сплавов и их свойствами существует определенная связь. Для разных типов диаграмм состояния им раскрыта закономерность изменения таких свойств, как плотность, твердость, удельное электрическое сопротивление и др.

Академик А. А. Бочвар на примере распределения усадочных дефектов в виде концентрированной раковины и пористости, а также изменения трещиностойкости показал, что существует зависимость между составом и технологическими свойствами.

Дальнейшим развитием этих идей явились работы профессора  О. Н. Магницкого, в которых установлена связь кинетики кристаллизации сплавов различного состава с типом диаграммы состояния        (рис. 2.1).

Кинетические диаграммы строились на основании термического анализа затвердевания реального слитка по показаниям одной термопары, расположенной в его центре. Для сплавов с эвтектическим превращением фиксировалось время достижения центра слитка границами области затвердевания – ликвидуса (начала выпадения первичных кристаллов) и солидуса (конца выпадения первичных кристаллов) и затвердевания эвтектики.

Концентрация                  Концентрация              Концентрация

а)                                    б)                                            в)

Рис. 2.1. Связь свойств сплавов с диаграммой состояния: a — изменение физических свойств (по Н. С. Курнакову); б — изменение технологических свойств (по А. А. Бочвару); в — кинетика кристаллизации (по О. Н. Магницкому); 1 — объем рассеянной пористости; 2 — объем  концентрированной усадочной раковины; 3 — время до начала выпадения первичных кристаллов;  4 — время окончания выпадения первичных кристаллов; 5 — время эвтектической кристаллизации

Достижение центра слитка последними двумя границами не совпадают по времени. Таким образом, установлено, что перемещение каждой границы области затвердевания от поверхности слитка к его центру имеет свою закономерность.

Кристаллизация эвтектики в сплавах «алюминий — кремний» сопровождается выделением значительно большего удельного количества теплоты по сравнению с первичными кристаллами (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Удельная теплота кристаллизации сплавов алюминия с кремнием: 1 – суммарная теплота (определена по тепловому  балансу  затвердевания  сплавов); 2 – эвтектика; 3 – первичные кристаллы алюминия; 4 – первичные кристаллы кремния

Для литейного производства наибольший интерес представляют диаграммы состояния сплавов с эвтектическим превращением. В отличие от твердых растворов, сплавы с эвтектическим превращением обладают высокими литейными свойствами. Хорошо известно, что такие эвтектические сплавы, как силумины и чугун, обладают высокой жидкотекучестью.

Рассмотрим процесс кристаллизации сплава концентрации с, характеризующегося неограниченной взаимной растворимостью компонентов А и В в жидком и твердом состояниях (рис. 2.3, а). При температуре t₁ начинают выделяться первичные кристаллы с концентрацией с'₁. При температуре t₂ концентрация первичных кристаллов соответствует c'₂, жидкости – c''₂. Кристаллизация заканчивается при температуре t₃. Последние капли жидкости имеют концентрацию с₃''.

Рис. 2.3. Схема кристаллизации: а – твердых растворов; б – сплавов с эвтектикой

Если процесс протекает медленно, в результате диффузии в твердых кристаллах химический состав выравнивается. Если же охлаждение происходит быстро, наблюдается явление внутрикристаллитной ликвации. В центре кристалла концентрация близка к с'₁, а на поверхности – к концентрации с₃''.

Соотношение долей жидкой и твердой фаз в процессе кристаллизации определяют по правилу отрезков. Так, при температуре t₂ это соотношение будет равно a/b.

В процессе кристаллизации сплава с эвтектическим превращением концентрации с (рис. 2.3, б) при температурах, превышающих t₁ , оба компонента – А и В – полностью взаимно растворимы. При температуре t₁ появляются первые зародыши кристаллов А в жидкой фазе. При температуре t₃ заканчивается выделение кристаллов А и происходит кристаллизация оставшейся жидкости в виде эвтектики.

Соотношение долей эвтектики и кристаллов А в затвердевшем сплаве равно отношению a/b.