Диаграмма состояния Cu-Ni: фазовое поведение медно-никелевого сплава

Фазовое поведение медно-никелевого сплава

Диаграмма состояния Cu-Ni дает наглядное представление о том, как ведет себя сплав меди и никеля при изменении температуры и химического состава. Такой график служит основой для анализа фазовых состояний, определения режимов обработки и понимания структуры металла. Поскольку медь и никель обладают неограниченной взаимной растворимостью, эта система стала классическим примером твердого раствора. Ниже разобраны принципы построения подобных диаграмм и особенности поведения сплава медь-никель при охлаждении.

На такой диаграмме фиксируются устойчивые равновесные состояния, которым отвечает минимальная свободная энергия. Ценность этих построений одновременно теоретическая и прикладная: именно с анализа диаграммы начинается изучение любого сплава, его фаз и структурных составляющих. Опираясь на нее, инженеры устанавливают возможность термической обработки, подбирают ее режимы, а также определяют температуры литья и горячей пластической деформации.

Количество фаз, пребывающих в равновесии, в любой системе зависит от внешних и внутренних условий. Закономерности происходящих изменений описывает правило фаз Гиббса, которое связывает вариантность системы с числом фаз и количеством компонентов, находящихся в равновесии. Вариантностью называют число внешних и внутренних факторов, поддающихся изменению без изменения количества присутствующих фаз.

Методы построения и критические точки

Диаграммы состояния строят разными способами, однако наиболее распространен термический анализ. Его суть сводится к подбору сплавов исследуемой системы с различным массовым соотношением компонентов. Отобранные образцы помещают в огнеупорные тигли и нагревают в печи, после чего расплав охлаждают, фиксируя скорость этого процесса. Полученные данные позволяют вычертить кривые охлаждения в координатах время-температура.

Температуры, отвечающие фазовым превращениям, называют критическими точками. Момент начала кристаллизации соответствует точкам ликвидуса, а ее завершение - точкам солидуса. По совокупности критических точек различных сплавов и выстраивается диаграмма состояния, где ось абсцисс отражает концентрацию компонентов, а ось ординат - температуру.

Особенности системы медь-никель

Сплав меди и никеля относится к твердым растворам второго типа. Оба компонента имеют одинаковую кристаллическую решетку - гранецентрированный куб - и неограниченно растворяются друг в друге как в жидком, так и в твердом состоянии, образуя при взаимодействии единую решетку. На диаграмме линия АВ выступает ликвидусом, выше которого все сплавы системы остаются жидкими. Вогнутая линия солидуса очерчивает границу, ниже которой любой состав представляет собой твердый раствор, а между этими двумя линиями сосуществуют жидкая и твердая фазы одновременно.

Чтобы охарактеризовать конкретный сплав при заданной температуре, сначала выясняют природу равновесных фаз, их концентрацию и относительное количество, применяя правило отрезков. Рассмотрим изменение фазового состояния при снижении температуры для сплава, содержащего 28 % меди и 72 % никеля. При охлаждении из жидкого состояния ниже точки 1, лежащей на ликвидусе, начинается кристаллизация, которая завершается при достижении точки 2 на линии солидуса. Число степеней свободы для системы из двух фаз рассчитывается по формуле:

СС1-2=2-2+1=1

Поскольку затвердевание сопровождается тепловым эффектом, скорость охлаждения уменьшается, а фазовое превращение описывается выражением:

ЖЖ(t1-t2)=>a2.

Дендритная ликвация и практическое применение

После завершения кристаллизации структура сплава состоит из зерен раствора a с одинаковым составом. Тем не менее в процессе затвердевания химический состав фаз системы медь-никель непрерывно меняется: в жидкой фазе - вдоль ликвидуса от точки 1 до точки 2', а в растущих кристаллах твердого раствора a - вдоль солидуса от точки 1' до точки 2. Именно поэтому микроструктура литого сплава демонстрирует выраженную внутризеренную неоднородность, известную как дендритная ликвация.

Подобная неоднородность понижает коррозионную стойкость материала. Для выравнивания химического состава и повышения полезных характеристик литой сплав подвергают деформированию с последующим отжигом, благодаря чему микроструктура становится более однородной. Устойчивая к электрохимическому воздействию однофазная структура обеспечивает медно-никелевому сплаву применение в химической промышленности, а высокое электрическое сопротивление, обусловленное присутствием второго компонента в решетке металла-растворителя, позволяет использовать его для изготовления реостатных проволок и резисторов.