Рис. 3.13. Диаграмма состояния сплавов металла А с металлом Б при их неограниченной растворимости в жидком и твердом состояниях

То или иное состояние затвердевающего сплава зависит от взаимодействия между атомами составляющих его компонентов. Стремление к энергетически более устойчивому состоянию системы обусловливает форму взаимодействия. Твердый раствор имеет определенные отличия от металла растворителя и растворенного элемента.

Пример неограниченной взаимной растворимости в жидком и твердом состояниях двух металлов А и Б представлен на рис. 3.13. Выше линии плавления (ликвидуса) существует однородная жидкость (одна фаза), между линиями ликвидуса и солидуса — жидкость и кристаллы твердого раствора (две фазы), ниже линии солидуса остается твердый раствор (одна фаза) (рис. 13, /). Кристаллизация чистого металла происходит при постоянной температуре, а кристаллизация сплава — в интервале температур между ликвидусом и солидусом (рис. 3.13, //). Между линиями ликвидуса и солидуса наряду с жидким расплавом существуют кристаллы твердого сплава. На диаграмме состояния линии, ограничивающие области существования различных фазовых систем, характеризуют условия (температуру, концентрацию) равновесия между фазами.

В точке А на рис. 3.13 чистый металл кристаллизуется при постоянной температуре. Для сплава, состоящего из 80 % А 46

и 20 % Б, точка а — начало кристаллизации, точка б — конец. На рис. 3.13, /// показано, что в рассматриваемом твердом растворе переход от раствора Б в А к раствору А в Б происходит при постепенной замене в решетке А атомов А атомами Б без определенного порядка мест замещения.

Такого рода взаимодействие возможно для металлов с аналогичными типами кристаллических решеток и атомами близких размеров (см. табл. 3.1). Металлы, дающие сплавы такого типа с неограниченной растворимостью, должны хорошо соединяться различными видами сварки. При сварке плавлением, будь то сварка без присадочного материала (рис. 3.13, IV) или дуговая сварка плавящимся электродом (рис. 3.13, VI), зоны плавления и смешивания свариваемых металлов А а Б в жидком состоянии представляют собой достаточно однородный раствор, может быть, о несколько большей концентрацией оплавляемого металла у кромки. После кристаллизации сварной шов представляет собой непрерывный ряд твердых растворов переменного состава. Различие в составе первых выпадающих кристаллов и последних кристаллизующихся порций металла, т. е. микрохимическая неоднородность, увеличивается с уменьшением разницы между температурами плавления свариваемых металлов и увеличением температурного интервала кристаллизации (расстояния между линиями ликвидуса и солидуса). Иным будет строение шва при сварке давлением (рис. 3.13, V).

При кристаллизации сплава состава X—X (см. рис. 3.13) состав первых кристаллов, выпадающих из расплава при охлаждении его до температуры а, соответствует проекции точки в на горизонтальную ось. Состав кристаллов, образующихся в конце кристаллизации при температуре б из последних порций жидкого расплава, соответствует проекции точки г на эту ось. Таким образом, химическая неоднородность сплава определяется отрезком между проекциями точек в и б на горизонтальную ось. На рис. 3.14 видно, что чем больше разница между температурами плавления компонентов (£г — в *г — *б 'г — *а )» тем меньше различие составов первых и последних порций кристаллизующегося сплава (рис. 3.14, /, отрезки 3, 2, 1). Точно так же неоднородность по составу уменьшается с сужением интервала кристаллизации сплавов (рис. 3.14, //, отрезки 4, 5).

В сварных швах влияние рассмотренных факторов на химическую неоднородность тем больше, чем больше размер сварочной ванны и чем меньше скорость кристаллизации. При сварке давлением в твердом состоянии (см. рис. 3.13, V) металлы, имеющие неограниченную взаимную растворимость, при наличии даже самых небольших элементов взаимодиффузии должны обеспечивать получение однородных твердых растворов в участках, примыкающих к сварному стыку. В таких соединениях металл должен быть однофазным, что обеспечивает высокие свойства, хотя в соответствии с правилом Н. С Курнакова при непрерывном ряде твердых