9.2.2 Кристаллизация сплавов эвтектического типа

и формирование их структуры

На примере диаграммы состояния системы Pb-Sb (рис.9.3) рассмотрим основные приемы описания кристаллизации сплавов эвтектического типа и формирования их структуры.

Линия АСВ – линия ликвидуса, выше этой линии сплавы системы «свинец-сурьма» находятся в жидком состоянии. Линия ДСЕ – линия солидуса, ниже этой линии все сплавы этой системы находятся в твердом состоянии в виде смеси кристаллов свинца и сурьмы.

Сплавы, соответствующие по составу точке С (в данной системе - 13% Sb), называются эвтектическими, расположенные на диаграмме левее точки С – доэвтектическими и расположенные правее точки С – заэвтектическими. Эти сплавы отличаются не только по химическому составу, но и по структуре.

Рассмотрим процесс кристаллизации эвтектического сплава ІІ. Этот сплав является самым легкоплавким. При охлаждении этого сплава от температуры выше ликвидуса, например t₀, до температуры t_с, соответствующей точке С, жидкое состояние сохраняется, процесс охлаждения описывается линией 0-С на кривой охлаждения сплава (см. рисунок 9.3, б). На этом участке охлаждения число степеней свободы С=К–Ф+1=2–1+1=2. Кристаллизация этого сплава начнется при температуре, соответствующей точке С. В процессе кристаллизации из жидкости Ж_с состава точки С одновременно кристаллизуются кристаллы и свинца, и сурьмы, т.е. Ж_с ® Pb+Sb. Такое превращение называется эвтектическим. В ходе этого превращения одновременно сосуществуют три фазы (Ж, Pb и Sb), что определяет процесс, который совершается в условиях, когда число степеней свободы С=К–Ф+1=2–3+1=0. Это объясняет тот факт, что эвтектическая кристаллизация происходит при постоянной температуре и выражается горизонтальной «площадкой» на кривой охлаждения (линия С-С^/, см. рисунок 9.3, б).

Эвтектическая кристаллизация осуществляется путем совместного роста кристаллов твердых фаз, образующих двухфазные эвтектические зерна. Возникающая таким образом характерная тонко дифференцированная двухфазная структура называется эвтектикой. В плоскости сечения шлифа невозможно увидеть взаимное переплетение кристалликов фаз, составляющих эвтектику, и эвтектическая структура имеет вид дисперсной смеси фаз.

На примере рассмотренного сплава уместно подчеркнуть, что понятия «фазовый состав» и «структура сплава» могут не совпадать. В данном случае закристаллизовавшийся сплав состоит из двух твердых фаз, образующих одну структурную составляющую – эвтектику. Структуры, существующие в соответствующих областях диаграммы на рисунке 9.3, а, приведены без рамки в отличие от фазового состава сплавов, взятого в квадратную рамку. Характерная структура эвтектики приведена на рисунке 9.4.

После завершения эвтектической кристаллизации начнется дальнейшее охлаждение сплава (кривая ниже С^/, см. рисунок 9.3, б).

Рассмотрим процесс кристаллизации заэвтектического сплава III, соответствующего составу 60% Sb + 40% Pb. При охлаждении этого сплава из области жидких растворов, например от температуры точки 0 (t₀ = 700⁰ C), жидкое состояние сплава сохранится до точки ликвидуса – температуры t₁ точки 1. Линия 0-1 на рисунке 9.3, б характеризует этот процесс охлаждения. Кристаллизация сплава начинается при температуре, соответствующей точке 1, с выделения кристаллов сурьмы. В результате кристаллизации выделяется тепло кристаллизации, что приводит к замедлению охлаждения.

Отмеченный физический процесс отражается более пологим ходом кривой охлаждения (линия 1-2 на рисунке 9.3, б). В этом периоде кристаллизации число степеней свободы сплава С=К–Ф+1=2–2+1=1, что означает возможность снижения температуры. При каждой фиксированной температуре можно определить химический состав и количественное соотношение между фазами. Так, например, при температуре t_а = 400⁰ С состав жидкой фазы описывается проекцией точки б на ось концентрации, а состав твердой – проекцией точки в на ту же ось (в соответствии с правилом отрезков). Состав жидкой фазы: 68% Pb + 32% Sb (точка б^/), состав твердой фазы: 100% Sb (точка в^/ ). Можно, пользуясь правилом рычага, определить также количество (массу) каждой фазы q_ж и твердой фазы q_Sb по формулам:

, ,

где а, б, в – координаты соответствующих точек по оси концентрации (например, значения концентрации Sb).

В условиях данного построения точка б соответствует координате 32% Sb, точка а – 68% Sb, точка в – 100% Sb.

Подставляя эти данные, получим:

; .

Это означает, что при температуре t_а в сплаве содержится 59 % жидкости и 41% выделившихся кристаллов сурьмы. Если продолжать охлаждение, нетрудно установить, что кристаллизация сурьмы будет продолжаться, при этом оставшаяся жидкость будет обедняться сурьмой.

При кристаллизации сплава в интервале t₁-t₂ состав жидкости будет изменяться по линии ликвидус от точки I до точки С. Состав же кристаллов остается неизменным – 100% Sb (проекция в^/ – см. рисунок 9.3, а).

Схематически это фазовое состояние сплава зафиксировано на рисунке 9.5.

Рисунок 9.5 - Структура заэвтектического сплава

в интервале температур t₁- t₂

При эвтектической температуре (которая соответствует линии ДСЕ – см. рис.9.3, а) жидкость эвтектического состава Ж_с, который она приобрела в результате выделения «избыточной» сурьмы в процессе первичной кристаллизации в интервале температур t₁– t₂, закристаллизуется с образованием эвтектики, как было описано ранее. В итоге структура будет состоять из первичных кристаллов сурьмы, закристаллизовавшихся ранее (см. рис.9.5), и эвтектики (рис.9.6).

Рисунок 9.6 - Структура заэвтектического сплава после

завершения кристаллизации

Процесс эвтектической кристаллизации описывается температурной остановкой 2-2^/ на кривой охлаждения сплава (см. рис.9.3, б), т.к. было уже показано, число степеней свободы при этом С=0. После завершения процесса эвтектической кристаллизации начнется обычное физическое охлаждение сплава ІІІ (С=2-2+1=1), что соответствует участку 2-3 на кривой охлаждения сплава (см. рис.9.3, б).

Аналогично происходит кристаллизация доэвтектических сплавов, например сплава І. Различие состоит в том, что первичными будут являться кристаллы свинца, а конечная структура сплава будет состоять из первичных кристаллов Pb и эвтектики (рис.9.7).

Количество избыточных кристаллов свинца в доэвтектических сплавах и избыточной сурьмы – в заэвтектических зависит, главным образом, от химического состава сплава. Чем сильнее данный сплав по составу отличается от эвтектического, тем больше в структуре будет избыточных фаз.