Химическое соединение характеризуется образованием новой кристаллической решетки с упорядоченным расположением в ней атомов компонентов. При этом новая решетка значительно отличается от решеток компонентов и свойства сплава также существенно изменяются. Химическое соединение существует при строгом соотношении компонентов.

Твердый раствор отличается от механической смеси и химического соединения тем, что имеет одну кристаллическую решетку металла-растворителя. Такой сплав существует в широком интервале концентраций компонентов. Твердые растворы по расположению атомов в кристаллической решетке подразделяются на растворы внедрения и замещения. В твердом растворе внедрения атомы растворенного компонента занимают место между узлами кристаллической решетки металла-растворителя. В твердом растворе замещения атомы растворенного компонента частично замещают в узлах атомы металла-растворителя.

Для изучения свойств сплавов, определения температур начала и конца плавления или затвердевания, выяснения структуры сплавов, а также разработки технологии термической обработки деталей 118 сплавов пользуются диаграммами состояния сплавов, такие диаграммы дают возможность судить о всех изменениях строения сплавов, происходящих в зависимости от изменения температуры концентрации компонентов. По характеру взаимодействия компонентов в сплавах различают следующие основные типы диаграмм состояния:

Диаграмма состояния сплавов из компонентов, которые в жидком остоянии растворяются неограниченно, а при затвердевании образуют механическую смесь (I рода);

диаграмма состояния сплавов из компонентов, которые растворяются полностью как в жидком, так и в твердом состояниях (II рода).

Существуют также диаграммы состояния для сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (III рода) и для сплавов, образующих химические соединения (IV рода).

Для сплавов, состоящих из двух компонентов К1 и К2, диаграмму состояния строят в координатах температура — концентрация. По оси ординат откладывают температуру, по оси абсцисс — концентрацию компонентов. Крайние точки на оси абсцисс определяют 100%-ное содержание, а каждая другая точка соответствует его определенному процентному содержанию. Например, точка А соответствует сплаву, состоящему из 20% компонента ЛГ2 и 80% К1, точка Б соответствует 60% К2 и 40% К1 и т. д.

Для построения диаграммы состояния изготовляют серию сплавов с различным содержанием компонентов и для каждого из них термическим методом определяют кривую охлаждения. Полученные точки наносят на координатную плоскость и строят диаграмму состояния.

Диаграмма состояния I рода характеризует сплавы с полной нерастворимостью компонентов в твердом виде. Рассмотрим построение такой диаграммы на примере сплавов свинец-сурьма. К ним относятся все сплавы между чистым свинцом и чистой сурьмой. Ограничимся рассмотрением кривых охлаждения для чистых металлов и трех сплавов с содержанием сурьмы 5, 13 и 40%.

На кривых охлаждения можно отметить как характерную особенность наличие горизонтального участка — критической температурной точки, которая определяет температуру затвердевания данного металла. Так, для чистых металлов свинца и сурьмы они составляют 327 и 631 °С. Для сплава с 87% РЬ и 13% Sb горизонтальный участок отмечается при температуре 246 °С. В этом случае образуется механическая смесь кристаллов свинца и сурьмы, называемая эвтектикой. Слово эвтектика греческое и в переводе означает легко-плавящийся. Температура, при которой получается эвтектика, на-нвается эвтектической, а сам сплав — эвтектическим 3 л а в о м. Этот сплав характеризуется определенным процентным составом компонентов и имеет всегда наиболее низкую температуру плавления по сравнению с другими сплавами (в данном случае 246 °С).

Для двух других сплавов отмечаются две критические точки 1 и 2, которые характеризуют затвердение сплава в интервале температур. Температура, соответствующая точке 1, является температурой начала затвердевания сплава и называется температурой ликвидуса (liquidus — жидкий). Температура и точке 2 является температурой конца затвердевания и называется температурой солидуса (solidus — твердый). Характерным для этих сплавов является окончание затвердевания при температуре 246 °С, т. е. при достижении эвтектического состава. Поэтому в сплавах доэвтектического состава, имеющих избыток свинца против его количества в эвтектике, происходит выделение кристаллов чистого свинца при снижении температуры от 300 до 246 °С.

В сплавах заэвтектического состава имеется избыток сурьмы, поэтому в интервале температур 395—246 °С происходит выделение кристаллов сурьмы и получается после затвердевания структура сурьма + эвтектика (свинец – сурьма).

Если температуры затвердевания с кривых охлаждения перенести на график в координатах температура — концентрация компонентов и соединить эти точки между собой, то получим диаграмму состояния сплавов свинец-сурьма. На этой диаграмме линия АСВ характеризует начало затвердевания сплавов и называется линией ликвидус. Выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии. Линия ВСЕ показывает температуры конца затвердевания и называется линией солидус.

Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии, а выше до линии АСВ — в твердом и жидком. При изменении температуры по линии АС из жидкого сплава выделяется избыток кристаллов свинца, а по линии СВ — кристаллов сурьмы.

Линия ВСЕ (солпдус) определяет температуру образования эвтектики во всех сплавах свинец-сурьма, причем состав только одного сплава в точке С состоит из чистой эвтектики (13% Sb +87% Pb). Все сплавы левее точки С (доэвтектические) содержат свинец J эвтектику, а правее (заэвтектические) — сурьму f эвтектику.

Диаграмма состояния II рода характеризует сплавы, компоненты которых неограниченно растворимы в жидком и твердом состояниях. Примером построения такой диаграммы могут служить сплавы медь-никель (Си — Ni).

Если взять несколько сплавов Си — Ni с различным процентным содержанием компонентов н получить для них кривые охлаждения подобно сплавам Pb — Sb, то по найденным критическим точкам можно построить диаграмму состояния.

На рис. 4, а приведены кривые охлаждения чистой меди, сплава, содержащего 50% меди и 50% никеля, и чистого никеля. При рассмотрении этих кривых видно, что кристаллизация чистых металлов протекает при постоянной температуре (горизонтальные участки кривых), а сплав кристаллизуется при изменении температур от точки ликвидус (1340 °С) до точки солидус (1210 °С). При переносе критических точек с кривых охлаждения на диаграмму состояния (рис. И, б) и соединении их плавными кривыми получаем верхнюю линию — ликвидус и нижнюю — солидус. Эти линии показывают, что начало и конец затвердевания сплавов происходят при различных температурах для разных сплавов.

Например, проследим процесс кристаллизации сплава, содержащего 50% Си. В точке а из жидкого раствора начинают выделяться кристаллы твердого раствора меди в никеле, причем раствор имеет повышенное содержание никеля, у которого более высокая темперара плавления. Содержание никеля (83%) можно определить, если из точки а провести горизонталь до пересечения с линией солидус.

При дальнейшем охлаждении кристаллы твердого раствора имеют большую неоднородность за счет более раннего образования кристаллов никеля. Однако при очень медленном снижении температуры состав кристаллов в твердом растворе выравнивается вследствие диффузии. Если же охлаждение вести быстро, структура кристаллов не успевает выравняться и внутренние области каждого кристалла будут содержать тугоплавкого компонента (никеля) больше, чем внешние. Концентрация компонентов по объему кристаллов нарушится. Это явление образования химической неоднородности состава внутри кристалла называется внутрикристаллит-ной ликвацией. Поскольку кристаллизация носит дендритный характер, то подобную неоднородность по составу называют также дендритной ликвацией.