Эвтектика и эвтектические сплавы

Урок разбирает эвтектику — особую точку, где жидкость при одной температуре сразу даёт смесь двух твёрдых фаз.

Эвтектика — сплав, кристаллизующийся при минимальной для системы температуре с одновременным выделением двух твёрдых фаз.

Эвтектическая точка — самая низкая температура жидкого состояния в системе. Эвтектические сплавы плавятся как чистый металл — при одной температуре, что бесценно для пайки и литья.

Зачем это инженеру

Припои (олово-свинец), легкоплавкие сплавы для предохранителей, литейные силумины — всё это эвтектики. Низкая и точно заданная температура плавления и хорошая жидкотекучесть делают их незаменимыми.

Эвтектическая реакция

При охлаждении до эвтектической температуры $T_E$ жидкость состава $C_E$ превращается сразу в две твёрдые фазы:

$$ \text{Ж} \rightarrow \alpha + \beta $$

По правилу фаз для трёх фаз в двойной системе $C=2-3+1=0$ — превращение идёт при постоянной температуре, давая на кривой охлаждения горизонтальную площадку, как у чистого металла.

Как работает под капотом

Эвтектическая структура — тонкая механическая смесь чередующихся пластинок $\alpha$ и $\beta$. Для доэвтектического сплава (состав левее $C_E$) сначала выпадают зёрна $\alpha$, а остаток жидкости при $T_E$ даёт эвтектику. Доли посчитаем правилом рычага. Возьмём систему с $C_E=61{,}9$ (как Pb–Sn) и доэвтектический сплав.

def lever(C0, C_alpha, C_eut):
    # доля первичного альфа и доля эвтектики при T чуть ниже TE
    W_alpha = (C_eut - C0) / (C_eut - C_alpha)
    W_eut = (C0 - C_alpha) / (C_eut - C_alpha)
    return W_alpha, W_eut

C0 = 40.0       # % Sn, доэвтектический сплав
C_alpha = 19.0  # предельная растворимость в альфа при TE
C_eut = 61.9    # эвтектический состав

Wa, We = lever(C0, C_alpha, C_eut)
print("Доля первичного альфа =", round(Wa*100, 1), "%")
print("Доля эвтектики        =", round(We*100, 1), "%")

Вывод:

Доля первичного альфа = 51.0 %
Доля эвтектики        = 49.0 %
Доля первичного альфа = 51.0 %

Половина структуры — крупные первичные зёрна $\alpha$, половина — мелкодисперсная эвтектическая смесь. Меняя состав, технолог управляет соотношением и, значит, свойствами.

Сплавы с составом, отличным от эвтектического, называют доэвтектическими и заэвтектическими. При охлаждении в них сначала выделяется первичная фаза (та, к которой ближе состав), а оставшаяся жидкость, постепенно меняя состав вдоль линии ликвидуса, доходит до эвтектической точки и застывает эвтектикой. В итоге структура двухкомпонентна: крупные первичные кристаллы плюс мелкодисперсная эвтектическая смесь между ними. Меняя исходный состав, технолог плавно регулирует соотношение этих составляющих, а значит — прочность, твёрдость и литейные свойства. Именно поэтому эвтектические диаграммы так важны для литейщика: они показывают и температуру заливки, и ожидаемую структуру отливки.

Частые ошибки

• Считать эвтектику химическим соединением — это механическая смесь двух фаз.
• Думать, что эвтектика плавится в интервале — она плавится при одной температуре $T_E$.
• Игнорировать первичную фазу в до- и заэвтектических сплавах.

Итоги

• Эвтектика — минимальная температура плавления в системе.
• Реакция Ж $\to\alpha+\beta$ идёт при постоянной температуре ($C=0$).
• Структура — тонкая смесь двух фаз; в неэвтектических сплавах есть первичная фаза.
• Эвтектики применяют в припоях и литейных сплавах.