Діаграма стану бінарного сплаву — це карта рівноважного стану двокомпонентної системи залежно від температури і складу, яка показує інженерам, які фази присутні, їх відносні кількості і склад за будь-яких умов. Найважливіша особливість — евтектична точка — унікальний склад і температура, при яких обидва компоненти тверднуть одночасно з єдиної рідини, даючи найнижчу можливу температуру плавлення системи. Евтектика Pb-Sn (61,9% Sn, 183 °C) лежить в основі традиційного електронного припою; евтектика Cu-Ag (71,9% Ag, 779 °C) використовується в срібних паяльних наповнювачах.
У симуляторі можна клацнути або перетягнути будь-яку точку на діаграмі і прочитати рівноважні фази (рідина, тверда α, тверда β або двофазні ділянки), застосувати правило важеля для обчислення частки і складу кожної фази, та спостерігати теоретичну криву охолодження при перетині ліній ліквідусу і солідусу.
Що таке правило важеля і як ним користуватися?
Правило важеля дає масову частку кожної фази у двофазній ділянці. Якщо точка потрапляє у поле (α + рідина) при загальному складі X0, а межі фаз при цій температурі дають склад α = Xα і склад рідини = XL, то частка рідини fL = (X0 − Xα) / (XL − Xα), частка твердої фази = 1 − fL. Уявіть склади як відстані на важелі: відносна «вага» (частка) кожної фази рівноважиться в точці загального складу.
Що таке евтектична реакція і яку мікроструктуру вона дає?
При евтектичній температурі і складі рідина перетворюється водночас у дві тверді фази: Рідина → α + β при постійній температурі. Ця інваріантна реакція дає характерну пластинчасту або стержневу мікроструктуру з чергуванням шарів α і β (міжшарова відстань 1–10 мкм). У припої Pb-Sn евтектична мікроструктура забезпечує добру міцність і пластичність.
У чому різниця між ліквідусом і солідусом?
Ліквідус — верхня межа: вище неї сплав повністю рідкий. Між ліквідусом і солідусом — суміш рідини і твердої фази. Солідус — нижня межа: нижче неї сплав повністю твердий. Для евтектичних систем солідус горизонтальний при евтектичній температурі. Для ізоморфних систем (Cu-Ni) і ліквідус, і солідус — плавні криві, що сходяться при температурах плавлення чистих компонентів.
Правило фаз Гіббса F = C − P + 1 (при фіксованому тиску) дає число ступенів свободи. При евтектичній точці, де співіснують три фази (рідина + α + β, P = 3) у бінарній системі (C = 2): F = 2 − 3 + 1 = 0. Нуль ступенів свободи означає, що температура і склад обох твердих фаз і рідини повністю фіксовані — це «евтектичний інваріант».
Гіпоевтектичні сплави (склад лівіше евтектичної точки) починають тверднути виділенням первинних дендритів α, а рідина збагачується до евтектичного складу, перетворюючись у пластинчасту евтектику. Гіперевтектичні сплави виділяють первинні β. Саме при евтектичному складі не утворюється первинна фаза — весь розплав перетворюється одразу в дрібнозернисту евтектику з найкращими ливарними властивостями.
Чисті метали тверднуть при одній температурі (C = 1, F = 0 при двох фазах). Для бінарних сплавів C = 2, і при двох фазах F = 1: зі зміною температури змінюються склади обох фаз (вздовж ліквідусу і солідусу). Тому сплав тверднє поступово в «пастоподібній» зоні між солідусом і ліквідусом — чим ширша ця зона, тим більше ризик ліквації (неоднорідності складу).
Інтерметаліди — впорядковані кристалічні структури при фіксованих стехіометріях, де обидва елементи зв'язані інакше, ніж у чистих металах. У системі Fe-C цементит Fe₃C (6,67 мас.% C) є ключовим. В алюмінієвих сплавах Al-Cu θ-CuAl₂ зміцнює авіаційні алюмінієві сплави методом старіння. Вони відображаються вертикальними лініями на діаграмі стану і часто крихкі.
Cu і Ni повністю змішуються у рідкому і твердому стані завдяки однаковій кристалічній структурі (ГЦК), близьким атомним радіусам (Cu 128 пм, Ni 124 пм) і валентності. Це робить Cu-Ni одним з найпростіших «ізоморфних» систем — одна лінзовидна двофазна ділянка між плавними кривими ліквідусу і солідусу. Сплав монель (67% Ni, 33% Cu) має відмінну корозійну стійкість у морській воді.
Діаграми стану визначають режими термообробки: відпал на твердий розчин (нагрів до однофазної ділянки для розчинення виділень), гартування (швидке охолодження для фіксації пересиченого твердого розчину) та штучне старіння (нагрів на нижчу температуру для керованого виділення зміцнювальних часточок). В алюмінієвих сплавах Al-Cu ця обробка збільшує границю плинності з ~100 МПа до понад 400 МПа.
Перитектична реакція — зворотна до евтектичної: замість утворення двох твердих фаз з рідини, тверда фаза реагує з рідиною, утворюючи іншу тверду: α + Рідина → β. Перитектичні реакції часто кінетично загальмовані (новоутворена β обволікає α), що призводить до ліквації в ливарних сплавах. Перитектика зустрічається в системі Fe-C при ~0,1% C і в деяких бронзах Cu-Sn.