книги из ГПНТБ / Бунин К.П. Анализ фазовых равновесий и кристаллизации металлических сплавов учеб. пособие по курсу Металлография
.pdf- 51 -
- 52 -
кристаллизуется аС - фаза, наиболее обедненная легкоплавким ком понентом. Концентрация Б в пограничном слое жидкости быстро по вышается до максимальной и перед фронтом кристаллизации устанав ливается стационарное распределение компонента Б, описываемое уравнением ( I ) . Начинается второй этап, в течение которого фаза выделяется из жидкости постоянного состава Со/Ко и, поэтому, также имеет постоянный состав Со. Третий, завершающий этап крис таллизации наблюдается тогда, когда жидкости остается слишком мало для беспрепятственной фронтальной диффузии компонента Б. Концентрация его резко повышается как в остатках жидкого раство ра, так и в последних порциях кристаллизующейся сС - фазы.
Картину перераспределения компонента в ходе кристаллизации анализируемого участка можно продемонстрировать серией концент
рационных кривых (рис. 30 ). Распределение компонента Б вдоль ли нии / V V после завершения кристаллизации всего участка показано на рис. 31.
С учетом того, что |
описываемые события происходят на всех |
|
участках фронта кристаллизации |
(показанного на рис. 27) общую кар |
|
тину формирования зерен |
оС |
- твердого раствора в процессе крис |
таллизации сплава можно представить следующим образом.
На первом этапе образования каждого зерна возникает дендрит ный скелет, обогащенный тугоплавким компонентом А (рис. 32,а ) . Концентрация легкоплавкого компонента Б возрастает от осевых ж периферийным участкам дендритных ветвей.
Затем кристаллизуется аС - фаза постоянного состава (рис.
32,6 ) . Когда процесс кристаллизации завершается и кристаллиты приходят в соприкосновение, их пограничные слои оказываются обо гащенными легкоплавким компонентом (рис. 32,в ) .
Скорость твердофазной диффузии на несколько порядков ниже,
Рис. SO
- 54 _
Q kCQ |
Плотность move* |
лролорцио- |
^ |
нальна концентрации лег/голлаё- |
|
|
кого компоненте 3 |
S с/ - разе |
Рис.31
- 55 -
чем СКОРОСТЬ диффузия в жидкости и линейная скорость кристаллиза ция. Химическая неоднородность зерен твердого раствора сохраняет ся, в основном, не только к моменту завершения кристаллизации, но
а в процессе охлаждения уже затвердевшего сплава. 3vy неоднород ность называют внутрихристаллической ликвацией. В связи с описан ами порядком формирования кристаллитов твердого раствора и пока занным на рис. 32 характером распределения в них компонентов та гу» неоднородность называют также дендритной ликвацией.
3 реальных условиях топография образования дендритной ликва ции должна быть более сложной, чем представленная на рис. 32. Зна чительная разветвленность дендритного скелета, взаимная блокировка
ветвей разных порядков исключают возможность длительного однона правленного продвижения фронта кристаллизации во многих микрообъе-
тх Формирующегося кристаллита, известную роль играют также нару жная, связанные с конвективным перемешиванием жидкости, с грави тационной сегрегацией компонентов. При образовании твердых раствс— эов внедрения, из-за высокой диффузивности растворенного компонен та, внутрикристаллическая ликвация в значительной мере ослабляется 7же в процессе кристаллизации.
Авесте с тем предложенная схема представляется принципиально верной и подтверждается результатами микроскопических наблюде ний. Как правило, в зернах неоднородного твердого раствора различ ных сплавов выявляются дендритная арматура и основной объем зер на, обычно монотонно окрашенный на микрошлифах.
Яетоудно видеть, что внутрикристаллическая ликвация должна Шть выражена тем сильнее, чем больше коэффициент распределения отличается от I . Следовательно, склонность к ликвации должна увеличиваться с уменьшением разности температур плавления компо нентов и увеличением интервала между ликвидусом и солидусом.
-56 _
Рис.32
Плотность точек пропорциональна концентрации легкоплавкого компоненте
- 5? -
Степень дендритной ликвации, характеризуемая отношением кон
центраций компонента Б в ветвях дендритов и междуветвиях, зани зит от СКОРОСТИ охлаждения при затвердевании. Ускорение охлажде- :Д приводит к увеличению линейной скорости кристаллизации в к
усилению ликвации. Однако при больших скоростях охлаждения лик
вация ославляется, особенно вследствие развития безнзбирательной кристаллизации.
Описанное перераспределение примеси, т.е. второго компонен
та Б. происходящее Е ходе кристаллизации, оказывает влияние на морфологию фронта кристаллизации и тонкое строение растущих кри сталлов твердого раствора.
Эеинемся к рассмотоенню роста участка кристалла, выделенно го на шс. 27. Экспоненциальному распределению примеси при уста
новившемся стационарном режиме кристаллизации (рис. 29, вверху) отзечает экспоненциальное распределение температур ликвидуса, харак
теризующих слой жидкости перед фронтом кристаллизации |
(рис. 29, |
|
знизу). Действительно, для жидкости любого состава С% |
температу- • |
|
за ликвидуса, согласно рис. 28, равней |
|
|
|
л ~ /А ~ :77Ьж , |
( 2 ) |
где j А |
- температура плавления частого компонента А. |
|
TJa'.аС |
- угловой коэффициент наклона л~нии ликвидуса. |
J учетом i I ) можно записать выражение равновесной температуры на любом расстоянии х от фронта кристаллизации:
график оаспределения температур ликвидуса перед фронтом кристал-
- 58 -
лизации представлен на рис. 29, внизу.Там же показаны два воз можных варианта распределения истинной температуры жидкости 7и .
Первый вариант отвечает наличию в расплаве крутого температурно го градиента, второй - более пологому подъему температуры при ародвижении от фронта кристаллизации вглубь расплава. При этом предполагается, что непосредственно у фронта кристаллизации ис тинная температура жидкости близка к температуре ликвидуса, т.е. переохлаждение, необходимое для создания термодинамического сти мула кристаллизации, мало.
Сопоставление графиков двух функций - температуры ликвидуса
Т/1 и истинной температуры при пологом температурном градиенте
7ц2 - показывает, что перед фронтом кристаллизации существует зона, в любой точке которой температура ликвидуса выше истинной температуры, т.е. жидкость в этой зоне переохлаждена. В отличае от обычного, термического переохлаждения, такое переохлаждение называют концентрационным, так как оно связано с повышенной кон центрацией легкоплавкой примеси.
Возникновение зоны концентрационного переохлаждения приво дит к тому, что плоская форма фронта кристаллизации становится неустойчивой. Любой выступ, случайно образующихся на поверхно сти кристаллической фазы (рис. 33), попадает в более благоприят ные для роста условия. Омывающая его жидкость более переохлажде на, чем жидкоen у плоского фронта кристаллизации. По мере роста выступа из-за оттеснения примеси создаются боковые концен- "ратаонные градиенты и происходит накопление примеси с боковых сторон и у основания выступа. В связи с этим процесс затвердева ния у основания выступа задерживается (рис. З^.б ) , что способ ствует возникновению вокруг начального выступа новых выпуклостей
(рис. 33,в ) . Плоский фронт кристаллизации преобразуется в систе-
_ 59 -
I
Рис.34
- 60 -
му выступов, выстраивающихся в виде ячеек (рис. 33,г ) с прибли зительно плотноупакованным расположением, при котором ячейки име ют в большинстве случаев по шесть соседей.
По мере того как вершины ячеек продвигаются в расшив, их гладкие боковые поверхности, в свою очередь, приобретают ячеистый рельеф (рис. 33,д). Постепенно развивается ячеисто-дендритная раз ветвленная структура фронта кристаллизации (рис. 33,е ) .
В результате бокового роста ячеек примесь накапливается в жидкости между ними. Из-за межячеистой сегрегации примеси сраста ние соседних ячеек происходит лишь при значительном понижении тем пературы. Поэтому границы ячеек в процессе кристаллизации прини мают форму очень глубоких и узких каналов. Затвердевание жидко сти в этих каналах завершает процесс формирования ячеистой струк туры растущего кристалла. Уточненную схему кристаллита сС - твердо го раствора, приведенную на рис. 27, можно представить так, как показано на рис. 34. В результате ячеистс-дендритного роста весь кристаллит оказывается состоящим из системы блоков-субзерен, раз деленных субграницами, отличающимися повышенным содержанием компо нента Б.