1.11. Зернистая структура поликристаллических материалов.

Под зернистой структурой металлов и сплавов понимают форму, размеры и характер взаимного расположения зёрен и кристаллитов фаз в образцах металлов и сплавов. Характеристики зёрен зависят от вида фазовой диаграммы системы, химического состава сплава и условий его получения. Сведения по зёрнистой структуре сплавов получают при изучении полированной поверхности случайных или специально выбранных срезов исследуемого образца. Поверхность визуально анализируется в отражённом свете при помощи металлографических микроскопов. Используются увеличения от 100 до 2000 крат. Изображения поверхности отображаются на экране компьютера, и количественные параметры зернистой микроструктуры определяются с помощью специализированных компьютерных программ. Такие исследования называются микроструктурным анализом (МСА) или металлографическим анализом.

Химические соединения имеют присущую каждому виду соединений зёренную структуру и характер поверхности. При металлографическом анализе на шлифе проявляются зёрна фаз и межфазовые границы. При полной взаимной растворимости компонентов в твердом состоянии микроструктура всех сплавов представляет собой зерна твердого раствора. Сплавы однофазные. Аналогичную структуру будут иметь сплавы, у которых количество растворимого компонента не превышает предельной его растворимости.

При ограниченной растворимости, которая характерна для многих сплавов (Pb – Sb, Al – Cu, Cu – Zn, Cu – Sn, Mg – Zn, Fe – С и др.), могут образовываться структуры, состоящие из смеси двух или более фаз. На шлифах присутствуют зёрна ограниченных твёрдых растворов, между которыми имеются внедрения эвтектики. Кристаллы второй фазы могут образоваться при распаде первичного твёрдого раствора. Образуется структура, состоящая из матрицы (основного твердого раствора) и выделившихся частиц другого твердого раствора, чаще на базе химического соединения. Такую структуру называют матричной. При кристаллизации сплавов на алюминиевой, магниевой, железной и других основах образуются структуры, состоящие из основного твердого раствора на базе металла растворителя и частиц одного или нескольких химических соединений (CuAl₂, Al₃Mg₂, Mg₄Al₃, Fe₃C и др.).

а	б
в	г

Рис. 1.13. Типичные микроструктуры сплавов: а, б – первичные кристаллы твёрдого раствора, по границам которых присутствуют зерна второй фазы ; в – эвтектическая смесь кристаллов фаз; г – первичные кристаллы β и смесь эвтектических кристаллов (α+β).

При медленном охлаждении химические соединения выделяются в основном по границам зерен твердого раствора (матрицы) в виде достаточно крупных и нередко равноосных частиц (рис. 1.13). При ускоренном охлаждении благодаря увеличению числа зародышей новой фазы по границам зерен появляется пограничная оболочка из выделяющейся фазы. При определенных условиях в процессе кристаллизации возможно образование второй фазы и внутри зерен на имеющихся здесь дефектах (включениях, границах блоков и т. д.). Форма выделения избыточных фаз может быть пластинчатой, игольчатой или сфероидальной.

Характер взаимного расположения зерен в двухфазных образцах определяется видом фазовой диаграммы системы. Существует три вида двухфазных областей с образованием эвтектики, перитектики и монотектики (расслоение фаз в жидком состоянии, переходящее в твёрдое состояние).

Эвтектикой называется смесь чередующихся кристаллов фаз, имеющая локальный минимум плавления в системе. Формы кристаллических зёрен в эвтектике различны. Наиболее часто встречаются пластинчатые, овальные, продолговатые, игольчатые. По размеру кристаллов эвтектики подразделяют на мелкозернистые при размере зёрен до 10 микрон, среднезернистые 10 – 100 микрон и крупнозернистые более 100 микрон. Размеры зёрен во многом зависят от условий кристаллизации, поэтому в пределах одного образца параметры эвтектических зёрен могут заметно изменяться. По количеству фаз эвтектики подразделяются на двухфазные, трёхфазные, четырёхфазные и т. д. Образцы эвтектического состава образованы только смесью эвтектических кристаллов. В образцах других составов имеются первичные кристаллы компонентов системы и (или) образующихся соединений, а также эвтектические кристаллы.

Термин перитектика образован от слова периметр. Например. Кристаллы α - фазы, образуются по перитектической реакции:

твёрдый раствор β + жидкость = твёрдый раствор α.

При микроструктурном анализе кристаллы α - фазы наблюдаются по периметру первичных кристаллов β - фазы. Первично образовавшиеся в расплаве кристаллы β - фазы на шлифе образца присутствуют в виде различных геометрических фигур: цепочек овальных кристаллов, колоний, в виде крестовидных форм. Пространство образца между кристаллами β - фазы занимают кристаллы α – фазы, образовавшейся по перитектической реакции.

Монотектика соответствует расслоению фаз в жидком состоянии, при этом происходит ликвация фаз. Фаза с большей плотностью располагается в нижней части образца, с меньшей в верхней. Если в силу кинетических факторов фазы не успевают полностью расслоиться, то на микроструктуре одна из фаз представлена овальными (круглыми) сферами, расположенными в поле второй фазы.

Характер зернистой структуры металлов и сплавов во многом определяет свойства материалов. Условия получения металлов и сплавов подбирают так, чтобы обеспечить необходимую микроструктуру материала.