Еутектичні фазові діаграми: Чому суміш плавиться нижче, ніж будь-який з металів

Суміш, що плавиться нижче, ніж будь-який з чистих компонентів

Змішайте два метали (або будь-які дві сумісні в рідкому стані речовини, нерозчинні або частково розчинні у твердій) і, при певній композиції, ця суміш плавиться за нижчої температури, ніж плавляться окремі чисті компоненти. Ця композиція називається еутетовою точкою, що походить від грецького слова «easily melted» («легкоплавна»), а діаграма фаз, яка показує її, є одним із найбільш використовуваних діаграм у металургії та матеріалознавстві.

Читання діаграми: рідинний перехід, твердий перехід та точка еутектичної рівноваги

Лінійка рідинного переходу позначає температуру вище якої сплав повністю є рідким при заданому складі; лінія твердого переходу позначає температуру нижче якої він повністю є твердим. Між ними знаходиться двофазна область, де рідина та тверда фаза співіснують у рівновазі. У простому еутектичному системі лінійна рідинного переходу утворює V-подібну форму (дві гілки зустрічаються в точці еутектичної рівноваги), а точка еутектичної рівноваги є місцем, де лінійна рідинного переходу досягає свого глобального мінімуму — єдиний найнижчий за температурою склад у системі, що знаходиться при температурі еутектичної рівноваги TE.

Правило рівчарності: Який відсоток кожного фазу присутній

При будь-якій температурі всередині двофазної області діаграма не тільки вказує, які фази присутні, але й, за допомогою правила рівчарності, точно визначає, який відсоток матеріалу знаходиться в кожній фазі. Намалюйте горизонтальну лінію-рівчар при температурі, яка вас цікавить; вона перетинає рідкий графік на одному складі та твердий (або розчинений) графік на іншому. Відсоток твердої фази дорівнює довжині сегменту від загального складу до межі рідкого графіка, поділеній на загальну довжину рівчарності — буквально рівчар, який збалансовано розташований навколо загального складу, з двома фазовими складами як точками опори:

fraction_solid  = (C0 - C_liquid) / (C_solid - C_liquid)
fraction_liquid = (C_solid - C0)  / (C_solid - C_liquid)
// C0: overall alloy composition, C_liquid and C_solid: the tie-line's endpoint compositions

Первинна фаза проти еутектичної мікроструктури

Охолодіть сплав, загальний склад якого не є точно еутектовим, і відбувається затвердіння в два етапи. Спочатку, коли перетинається ліпідний об’єм, утворюються первинні (проеутективні) кристали будь-якої фази, яка віддає перевагу складу, та ростуть як грубі зерна, а залишок рідкого матеріалу тягнеться вздовж ліпідного об’єму до еутектової точки, коли це відбувається. Коли залишок рідкої речовини нарешті досягає еутектового складу за еутектовою температурою, він одночасно затверджується у вигляді характерної еутектичної мікроструктури — тонких, чергуючихся пластин (або стержнів) двох твердих фаз, що ростуть спільно з однієї межі, оскільки за цією єдиною температурою та складом обидві тверді фази перебувають у рівновазі одночасно.

Сплав, охолоджений від точно еутектового складу, пропускає первинну фазову стадію: вся рідка речовина перетворюється безпосередньо на тонку ламелярну еутектичну структуру при ТЕ, без жодних грубих первинних зерен. Це має металургісне значення — еутектові сплави затверджуються в єдиній чіткій температурі замість діапазону, що є однією з причин, чому еутектова паяння (історично олово-свинцеві сплави поблизу 63/37 за вагою, близькі до Sn-Pb еутектового) було переважним для чистого та швидкого затвердіння з мінімальною сегрегацією.

Реальні сплави: Срідо-свинцевий припій та ливарні сплави Al-Si

Срідо-свинцева фазова діаграма є стандартним прикладом для навчальних цілей, особливо завдяки тому, що її евтектична точка (близько 61,9% цинку за вагою, 183°C) знаходиться значно нижче температури плавлення чистого свинцю (327°C) та чистого цинку (232°C) – це створює велике, чітко видиме зниження температури плавлення. Ливарні сплави Al-Si є промисловим «робочим конем»: ливарні сплави алюмінію-сірки поблизу евтектичної композиції (приблизно 12,6% кремнію) кристалізуються з відмінною пластичністю та мінімальним укорочуванням, що і потрібно для процесу лиття, і саме тому евтектичні або майже евтектичні ливарні сплави Al-Si домінують у литих автомобільних двигунних компонентах.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Eutectic Phase Diagram і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.