4.2.3. Эвтектические структуры в реальных сплавах

Скорость кристаллизации оказывает наиболее сильное влияние на структуру сплавов с твердыми растворами. Это фактор в еще большей степени должен сказываться на структуре эвтектик, так как в процессе их кристаллизации участвует не одна, а две и более твер­ дые фазы.

В структуре сплавов, состав которых находится вблизи от эвтек­ тической точки, могут появляться отклонения от той структуры, ко­ торая прогнозируется по равновесной диаграмме состояния. Так, у сплавов доили заэвтектического состава может наблюдаться чис­ то эвтектическая структура и, наоборот, у сплавов эвтектического состава в структуре могут быть первичные кристаллы той или иной фазы. Это объясняется особенностями одновременного роста кри­ сталлов различных фаз из одной жидкости с различными скоростями.

Рассмотрим условия кристаллиза­ ции трех различных сплавов /, 2 и 3 на диаграмме состояния системы из двух металлов А и В с эвтектикой, приведен­ ной на рис. 59. В этих сплавах возможен одновременный рост кристаллов а- или P-фаз и эвтектики а + р, т.е. совместный рост обеих фаз. На рис. 60 показана за­ висимость скорости роста этих кристал­ лов от температуры для каждого сплава. Как указывалось ранее, скорость совме­ стного роста кристаллов двух фаз всегда будет больше скорости роста кристаллов

каждой отдельной фазы. Поэтому у эвтектического сплава 1 (см. рис. 60, а) кривая скорости роста фаз а + р расположена выше кривых скоростей роста фаз а и р . При температуре эвтектики /э ли­ нейные скорости роста отдельных фаз порознь и совместно равны нулю. При более низких температурах они увеличиваются, но при любой температуре, например t\, va и vp будут меньше va+p (на рас­ сматриваемой схеме условно принято, что va < vp). Для доэвтектического сплава 2 (см. рис. 60, б) необходимо сравнивать линейные ско­ рости роста изолированной фазы а и эвтектики a + р. Аналогично

для заэвтектического сплава 3 (см. рис. 60, в) нужно сравнивать ско­ рости роста фазы р и эвтектики а + р. Кривые скоростей va и vp (см. рис. 60, б, в) начинаются от температур ликвидуса данных спла­ вов /л(2) и гЛ(з), а кривая скорости va+p - от температуры эвтектики t3 Зависимости скоростей va, vp и va+p от температуры на всех частях рис. 60 одинаковы (линии скоростей параллельны), поскольку опи­ сывают поведение одних и тех же фаз.

а б в

Рис. 60. Зависимость линейных скоростей роста фаз от температуры в сплавах из двух металлов

Следовательно, на рис. 60, б кривая va, а на рис. 60, в кривая vp, имеющие больший наклон, при какой-то температуре /2 обязательно пересекут кривую va+p, т.е. будут равны.

В сплаве эвтектического состава 1 линейная скорость совмест­ ного роста фаз превышает скорости роста каждой отдельной фазы при любой температуре, которая ниже эвтектической (см. рис. 60, а). Если сплав переохладить, например, до температуры t\9то в данном сплаве эвтектического состава образуется типичная эвтектическая структура.

В доэвтектическом сплаве 2 при малых переохлаждениях, когда температура сплава 2 не ниже температуры /2, скорость роста фазы a превышает скорость совместного роста фаз a + (3. Следовательно, в сплаве 2 (и в других доэвтектических сплавах) кристаллизация начнется с образования первичных кристаллов твердого раствора а. Это вызовет изменение состава жидкой фазы до эвтектического, и начнется образование эвтектики (совместный рост фаз a + Р).

Кристаллизация заэвтектического сплава 3 при малых переох­ лаждениях пройдет аналогичным образом, только начнется с образо­ вания первичных кристаллов р-фазы.

При больших переохлаждениях, когда сплавы 2 и 3 в жидком состоянии будут охлаждены соответственно до температур ниже t2 и /3 характер кристаллизации существенно изменится. Линейная ско­ рость совместного роста фаз ос + Р будет больше линейных скоростей роста отдельных фаз. Поэтому в доэвтектических и заэвтектических сплавах кристаллизация начнется и закончится образованием эвтек­ тической структуры. Такую однородную эвтектическую структуру в сплавах неэвтектического состава принято называть квазиэвтектической или просто квазиэвтектикой. Чем дальше состав сплава от эв­ тектического, тем большее переохлаждение необходимо для образо­ вания квазиэвтектики. Температуры t2 и 13, при которых происходит переход к квазиэвтектической структуре, могут быть эксперимен­ тально определены для всех сплавов данной системы. На рис. 59 че­ рез точки, соответствующие этим температурам, проведены пунк­ тирные линии. Они образуют область квазиэвтектики (на рисунке она заштрихована).

Рассмотренная схема экспериментально подтверждена при изу­ чении сплавов, в которых оба компонента являются металлами и скорости va и vp имеют незначительные отличия. Область квазиэв­ тектики на диаграммах таких сплавов располагается примерно сим­ метрично по обе стороны от эвтектической точки. В системе А1 - Си при скоростях охлаждения » 50 °С/с квазиэвтектика наблюдалась в спла­ вах, состав которых отличался от эв­ тектического состава на ±1-2 %. При скорости охлаждения, превышающей 100 °С/с, квазиэвтектика обнаружива­ лась даже в сплавах, отличающихся по составу от эвтектического на 4 %.

У сплавов в системах, образован­ ных из металлов А и неметаллов 5,

с тем, что скорость vp (скорость роста кристаллов твердого раствора на базе неметалла) при снижении температуры значительно меньше, чем скорости va и va+p.

На рис. 62, показывающем связь между линейными скоростями роста фаз и температурой, кривые скорости рос та фазы р более кру­ тые, чем кривые скорости роста фаз а и a + р. Одновременно ско­ рость роста a -фазы больше, чем скорость совместного роста эвтек­ тических фаз a + р. В связи с этим кривая скорости роста фаз a + Р находится между кривыми скоростей роста фаз а и Р (см. рис. 62, а).

Рис. 62. Зависимость линейных скоростей роста фаз от температуры в сплавах из металла и неметалла

Кристаллизация эвтектического сплава 1 (см. рис. 61) будет на­ чинаться с зарождения кристаллов a -фазы. В ходе роста этих кри­ сталлов состав жидкой фазы будет обогащаться компонентом В и станет заэвтектическим. Его кристаллизация будет рассмотре­ на ниже.

Анализ кристаллизации доэвтектического сплава 2 можно про­ извести по данным рис. 62, б. При всех температурах кривая va лежит выше кривой va4(i, поэтому в сплаве 2 сначала появятся первичные кристаллы a -фазы. Рост этих кристаллов продолжится до тех пор, пока состав жидкой фазы не станет сначала эвтектическим, а затем и заэвтектическим.

Кристаллизация заэвтектического сплава 3 протекает сложнее. При малых переохлаждениях (при температурах между *л(3) и /э) вы­ ше лежит кривая vp. Это значит, что в структуре появятся первичные (3-кристаллы. При больших переохлаждениях (в интервале темпера­ тур между t3и /'э) выше располагается кривая фаз а + (3, и кристалли­ зация начнется с одновременного роста (а + (З)-фазы, т. е. сразу обра­ зуется эвтектическая структура без первичных P-кристаллов. При еще более глубоких переохлаждениях (температура ниже /3) скорость роста a -фазы вновь обгоняет скорость одновременного роста (а + Р)- фазы. Поэтому кристаллизация должна начаться с образования пер­ вичных a -кристаллов, а затем при понижении переохлаждения поя­ вится эвтектическая составляющая. Если на диаграмму состояния нанести все точки /3 и /'3 и соединить их, то получится область ква­ зиэвтектики для сплавов, в состав которых входит неметалл (см. рис. 61). Как уже указывалось, она будет расположена асиммет­ рично в сторону большего содержания неметалла.

Отсюда следует, что в заэвтектическом сплаве при изменении условий охлаждения в структуре могут образовываться первичные кристаллы обеих фаз. Если заэвтектический сплав в системе металл - неметалл начинает кристаллизоваться с такой большой скоростью, что его температура оказывается ниже температуры области совме­ стного роста фаз, то в структуре появляются первичные кристаллы a -фазы. Затем скорость охлаждения из-за нагрева формы уменьшает­ ся, и температура расплава оказывается выше температуры области совместного роста фаз. Это приведет к образованию первичных кри­ сталлов P-фазы, чему способствует и обогащение расплава компо­ нентом В. Закончится кристаллизация образованием эвтектической структуры между кристаллами первичных фаз. Чисто эвтектическую (квазиэвтектическую) структуру могут иметь сплавы с заэвтектическим составом при определенных скоростях охлаждения.

Среди промышленных цветных сплавов описанные изменения структуры наблюдаются в силуминах, т.е. в сплавах системы алюми­ ний - кремний.

Особенности кристаллического строения эвтектических сплавов обусловливаются не только условиями зарождения, но и кинетикой роста кристаллов. Сущностью образования эвтектики, как указыва­

лось ранее, является одновременная кристаллизация двух твердых фаз, но расти они могут с различной линейной скоростью. Та фаза, кристаллы которой опережают в росте другую, называется ведущей фазой. Ранее нами рассмотрена схема образования стерженьковой эвтектики, где есть такая ведущая фаза. Пластинки этой фазы (см. рис. 58) продвигаются вперед раньше, чем пластинки ведомой фазы (заштрихованные).

Кроме понятия ведущей фазы при кристаллизации эвтектиче­ ских сплавов выделяют еще понятие базовой фазы. Базовой называ­ ют ту фазу, на кристаллах которой происходит зарождение кристал­ лов второй фазы.

Эвтектическая структура в целом состоит из отдельных эвтек­ тических колоний или зерен, которые имеют определенное законо­ мерное расположение фаз.

По кинетике формирования и взаимному расположению фаз в эвтектических колониях эвтектические структуры можно разде­ лить на три группы: слоисто-пластинчатые, матричные и каркасно­ матричные.

Схемы образования слоисто-пластинчатых колоний в реальных литейных сплавах отличаются от ранее рассмотренных схем образо­ вания пластинчатых эвтектик тем, что в ходе роста пластинки могут изгибаться, а их толщина может увеличиваться.

Большинство эвтектик в металлических сплавах являются мат­ ричными структурами. Формирование матричной колонии начинает­ ся с зарождения кристалла базовой фазы. На его поверхностях заро­ ждаются и растут кристаллы второй фазы. Новые кристаллы базовой фазы не образуются. Продолжается рост первичного кристалла меж­ ду обособленными кристаллами второй фазы. Вся матричная коло­ ния вырастает из одного центра кристаллизации.

Каркасно-матричная колония отличается от простой матричной характером роста второй фазы. Он будет таким же непрерывным, как и у базовой фазы. В результате вторая фаза образует сплошной кар­ кас. Образование эвтектической колонии в этом случае будет пред­ ставлять собой процесс взаимного прорастания двух разветвленных кристаллов. На микрошлифе сечения кристалла второй фазы могут выглядеть как изолированные кристаллы в матричной эвтектике, хо­ тя являются частями единого разветвленного кристалла. Наиболее

Вопросы для самоконтроля

1. Какие типы кристаллов можно обнаружить в металлах

исплавах?

2.Объясните схему роста дендритного кристалла.

3.При равновесных или неравновесных условиях кристалли­ зации образуются дендритные кристаллы?

4.Какие температурные градиенты могут иметь место при за­

твердевании?

5.Как протекает кристаллизация чистых металлов, твердых растворов и эвтектик?

6.Как образуется концентрационное переохлаждение?

7.В чем различие между обычным термическим переохлаж­ дением и концентрационным переохлаждением?

8.В чем заключается депрессия концентрационного переох­ лаждения?

9. Какие типы кристаллов могут быть в твердых растворах

взависимости от условий кристаллизации?

10.Какой состав будет иметь периферия кристалла при нерав­ новесной кристаллизации твердого раствора с неограниченной рас­ творимостью при условии полного отсутствия диффузии в твер­ дой фазе?

11.При какой температуре закончится кристаллизация твердого раствора из компонентов с ограниченной растворимостью?

12.Перечислите виды эвтектик и их модификации.

13.Почему скорость роста эвтектической структуры больше скорости роста любой из фаз, входящих в нее?

14.Назовите условия образования и особенности квазиэвтектик.

15.Как меняется диаграмма состояния при неравновесном ох­ лаждении?

16.Чем отличается каркасно-матричная эвтектика от матричной?

5. ФОРМИРОВАНИЕ МАКРОСТРУКТУРЫ ОТЛИВОК

Качество отливок, их служебные и эксплуатационные характе­ ристики определяются структурой сплава, формирующейся при за­ твердевании отливок в литейных формах.

Рисованный фрагмент смешанной структуры показан на рис. 66. Поверх­ ностный слой отливки состоит из мел­ ких кристалликов, имеющих примерно одинаковые размеры по всем направ­ лениям (поэтому их и называют рав­ ноосными). Ширина этой зоны колеб­ лется от 3 до 5 мм. Обычно в нее укла­ дываются 2-4 ряда зерен.

За ними следуют зоны столбча­ тых и крупных равноосных кристал­ Рис. 66. Схема наиболее ха­ лов. Размеры d равноосных кристаллов

в поперечнике в центральной зоне дос­ тигают 15 мм.

Наличие или отсутствие той или иной зоны, а также соотноше­ ния их размеров зависят от условий кристаллизации. Важнейшим из них является скорость затвердевания. При ее возрастании уменьша­ ются протяженность зоны столбчатых кристаллов /ст, их поперечный размер dCTи диаметр равноосных кристаллов d. В фасонных отливках скорость охлаждения зависит от толщины стенки. Если не принимать специальных мер, то структура и свойства разных частей таких отли­ вок могут оказаться различными. Так, при литье в кокиль в тонких сечениях будут мелкие равноосные кристаллы, в более толстых час­ тях размер кристаллов увеличивается, а в самых массивных частях образуются столбчатые или столбчатые и крупные равноосные кри­ сталлы.

Условия формирования различных структурных зон в отливках и их количественные характеристики изучаются в специальном курсе

«Теория формирования отливки». Задачей нашего пособия является ознакомление с описательными теориями кристаллизации сплавов, объясняющими причины и механизм образования кристаллов той или иной формы, а также связь макроструктуры отливок со свойст­ вами сплава и его положением на базовой диаграмме состояния. Наиболее важный вопрос всех теорий - выяснение причин, вызы­ вающих остановку роста столбчатых кристаллов.

5.1.Первые теоретические представления о кристаллизации

вреальных условиях

Управляя формированием кристаллического строения отливок, можно получать отливки с заданными служебными свойствами. Над этой проблемой работали и работают многие металлурги и литейщи­ ки. Из отечественных ученых больший вклад в развитие теории кри­ сталлизации внесли: П.П. Аносов, Н.В. Калакуцкий, Д.К. Чернов,

A.С. Лавров, А.А. Байков, Н.Г1. Гудцов, А.А. Бочвар, Г.П. Иванцов,

B.И. Данилов и др., а в наше время И.Б. Куманин, А.А. Рыжиков,

Г.Ф. Баландин, Б.Б. Гуляев.

Первое описание кристаллического строения стального слитка сделано Д.К. Черновым. На основании исследований, начатых им

в1878 году, он сделал вывод о типичном кристаллическом строении тела отливки из трех макро-структурных зон: «кристаллы в наруж­ ном слое более мелки и чрезвычайно перепутаны, затем переходят

впараллельные между собою и нормальное к общему протяжению

наружной поверхности призматическое расположение; наконец, в центральных слоях встречаются более развитые и разросшиеся кристаллические группы, расположенные в произвольных друг дру­ гу направлениях». Свое представление о структуре стального слитка он проиллюстрировал схемой (рис. 67).

Такое описание кристаллического строе­ ния в настоящее время считается обще­

дит в результате одновременного роста

большого числа кристаллов, возникших на поверхности формы. По­ скольку эти кристаллы могут расти только в глубь расплава, то они превращаются в столбчатые, ориентированные нормально к поверх­ ности охлаждения. Постепенно скорость роста столбчатых кристал­ лов замедляется, температура еще незатвердевшего расплава вырав­ нивается (видимо, следует понимать, что она сравнивается с тем­ пературой начала кристаллизации). В незатвердевшем расплаве появляются центры кристаллизации, которые разрастаются, останав­ ливают рост столбчатых кристаллов и образуют равноосные кри­ сталлы в центре слитка. Из теории Д.К. Чернова вытекают две при­ чины прекращения роста столбчатых кристаллов: выравнивание тем­ пературы в остатке расплава в связи с замедлением отвода от него теплоты благодаря нарастанию на поверхности формы твердого ме­ талла и появление в незатвердевшем расплаве свободных кристал­ лов, мешающих дальнейшему росту столбчатых. Главной из них Д.К. Чернов считал вторую. По его мнению, в остатке охлажденного расплава перед столбчатыми кристаллами появляются «зачатки» кристаллизации. Далее «зачатки» разрастаются осями и ветвями по различным направлениям, встречаются друг с другом и, срастаясь, образуют весьма перепутанные кристаллические группы затвердев­ шей массы.

В работах Д.К. Чернова указаны и некоторые способы воздейст­ вия на структуру. Большое значение он придавал перемешиванию расплава механическим путем или встряхиванием (приведением рас­ плава в «сильное сотрясение, достаточное, чтобы все ее [отливки] части приходили в движение, тогда охлажденный слиток будет иметь чрезвычайно мелкие кристаллы»).

Взгляды на кристаллизацию у Д.К. Чернова сформировались на основании анализа и обобщения результатов простых наблюдений в литейном цехе. По мере совершенствования технических средств исследования металлургических процессов появлялись все новые и новые описания процессов кристаллизации. Наиболее известны теории В.И. Данилова, Т.П. Иванцова, Д.Д. Саратовкина, Н.И. Хворинова, Дж. Уолкера и др. Целью этих описательных теорий является объяснение хода процесса кристаллизации, который приводит к кон­ кретному виду кристаллического строения отливок из различных сплавов при тех или иных условиях литья. Нет необходимости изла­