книги из ГПНТБ / Бунин К.П. Анализ фазовых равновесий и кристаллизации металлических сплавов учеб. пособие по курсу Металлография

- 61 -

ЭВТЕКТИЧЕСКАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ.

Sen компоненты А и"Б ограничено растворимы друг в друге

а твердом состоянии, то в самом оощем виде нетрудно представить свое следующую картину затвердевания двухкомпонентного сплава. В

жалком растворе, переохлажденном ниже ликвидуса, образуется крис­ таллы твердого раствора, например, сС . Остающаяся жидкость посте­

пенно обогащается компонентом Б и выделяющийся из нее оС - твер­

дей раствор также содержит все больше атомов Б. Однако раствори­

мость Б В О / - твердом растворе ограничена. Рано или поздно кон­

центрация £ в кристаллах ск, становится предельно возможной и дальнейший рост этих кристаллов затрудняется. К этому моменту в жадности, обогащенной компонентом Б, зарождаются кристаллы $ -

твердого раствора. Их рост, связанный с преимущественным отбором из жидкости атомов Б, создает условия и для дальнейшего роста

кристаллов ос . Происходит одновременное выделение из жидкости двух твердых растворов, называемое эвтектическим распадом.

Описанная общая картина затвердевания принципиально не изме­

нится, если мы представим, что первоначально в жидкости выделяют­ ся кристаллы Ц - твердого раствора, а затем, по мере обогащения

это превращение на примере системы, диаграмма которой показана на рас. 35.

Эвтектическое превращение наблюдается при затвердевании всех сплавов, составы которых лежат между им и Сн • Сплав U£ ,

совтав КОТОРОГО определяется точкой Е пересечения ветвей ликви­ дуса, является самым легкоплавким силаром системы и называется

Рис.36

- 63 -

эвтектическим. Спдавн, расположенные левее эвтектического, при­ нято называть доэвтектическими (например, С А ) • расположенные

тенциал переохлажденной жидкости выше термодинамического потен­

морфологические особенности образующихся структурных составляю­ щих зависят от степени переохлаждения сплава.

При малых переохлаждениях наблюдается одновременная, но раз­ дельная кристаллизация оС и /3 твердых растворов.

Перед началом превращения состояние жидкого раствора, пере­ охлажденного до 1~/ , описывается фигуративной точкой I . Он пе­ ресыщен обоими компонентами. Отрезок 1-2 характеризует степень

пересыщения жидкости компонентом Б, отрезок 1-3 - степень пере­ сыщения жидкости компонентом А. В общем случае зарождение крис­ таллов ее и /3 происходит неодновременно. Например, первым мо-

ГУТ зарождаться кристаллы ev - фазы. Их рост приводит к увеличе­

нию степени пересыщения жидкости компонентом Б и в ней зарожда­

компонентом Б и ее состояние здесь описывается фигуративной точ­ кой, близкой к точке 2. Создающиеся в жидкости концентрационные

- 64 -

фавн, благодаря чему здесь поддерживается возможность якльве*- шего выделения это! фазы. Диффузия атомов А все время поддержи­ вает возможность выделения ^ - фазы на имеющихся кристаллах оС,

Эвтектическое превращение осуществляется, таким образом, путем диффузионного разделения жидкого раствора. В результате раздель ­

ной кристаллизации эвтектических фаз образуется грубозернистая

двухфазная структуре (рис. 36,в ) , обычно называемая структурой

грубого конгломерата.

В чистых двуххомпонентиых металлических сплавах эвтектиче ­

ского состава структура грубого конгломерата образуется лишь ори очень малых переохлаждениях. В этом случае квхуоадиовлык период образования зародышей велик и диффузионное перемешивание распла ­ ва успевает выравнивать состав жидкости, ликвидируя, тем самым, благоприятные условия для образования новой фазы на имеющихся кристаллах первоначально возникшей фазы. С другой стороны б л а г о ­ даря плотноупакованной, зачастую сходной атомной структуре, а

также специфическим особенностям металлической межатомной свяжи

кристаллы металлических твердых растворов обладают подкладочным влиянием. Поэтому при обычно применяемых на практике скоростях

охлаждения сплавов вторая твердая фаза эвтектики часто зарождает­ ся на поверхности кристаллов первоначально возникшей фазы. ЭвтвКттический распад жидкости осуществляется путем совместного роста кристаллов твердых фаз, образующих двухфазные эвтектические з е р ­ на. В отечественной металлографии эти зерна получил название

эвтектических колоний. В процессе зарождения и роста колоний,

который можно схематически представить так, как показано на ряс.

37, формируется характерная товкодифференцировавная двухфазная структура, и называемая, собственно эвтектикой (рис. 37.» ) .

микроскопическую картину зарождения и роста эвтектической

Рис.зе

жидкий раствор, заполняющий промежутки между ними, обогащается,

двухфазный фронт кристаллизации, перед которым, в дальнейшем, ж происходит диффузионное разделение жидкого раствора (рис. 38, в ) .

На рис. 39 схематически показан разрез микроучастка фронта

двухфазной кристаллизации. При продвижении фронта жидкость в б л и ­ зи участков J3 - фазы обогащается компонентом А д о состава ~ С 5 :рис. 35), а вблизи об - фазы - компонентом Б до состава ~ Cg.

Возникающая в результате двухфазной кристаллизации химическая н е ­ однородность хидкости передана на схеме (рис. 39) с помощь» точек,

число которых пропорционально концентрации компонента 1 в жидком

растворе.

Возникновение концентрационных градиентов приводит к диффу­ зионному перераспределению компонентов вдоль фронта кристаллиза­ ции. Диффузионные потоки атомов А, направлена которнх указано на рис. 39 стрелками, обеспечивают пересыщение этим компонентом

- 87 -

Рис.ЗЭ

Описываемое явлеше представляет собой пример кооперативной кристаллизации фаз. Действительно, каждый участок аС _ фазы, от­ бирая из жидкости в процессе своего роста в первую очередь атомы А, тем самым создает условия для роста близрасположеяшос участков

J3 - фазы, и наоборот, кристаллизация J3 - фазы приводят ж обо­

гащению окружающей жидкости компонентом А и способствует росту

лизации, т.е. разветвленное?* эвтектических фаз в колони. Be

называют дифференцировкой эвтектики и характеризуют раостсянвем

Л между осями соседних одноименных ветвей (рже. 39 ) .

Дифференцировка зависит о* чистоты сплава и конкретных ус­ ловий, кристаллизации, в первую очередь - от скорости охлаждена». Частое чередование оС иJ*> участков на фронте кристаллизации, т.е. малая протяженность диффузионных расстояний, обусловливает высокое значение концентрационных градиентов. Благодаря етому. диффузионное перераспределение компонентов происходит с большой сксоостью и определяет кинетические выгоды кооперативной крис­ таллизации. Опыт показывает, что скорость продвижения двухфаз­ ного фронта кристаллизации значительно выше, чем линейная ско­ рость однофазной кристаллизации в данном сплаве при тех же тем­ пературных условиях.

Ускорение охлаждения расплава приводит к увеличении скоро­ сти затвердевания, в частности, к увеличению линейной скорости

где А и IL - постоянные, определяемые физико-химическими свойст­

вами фаз. Уменьшение дифсреренцировки, вызывая увеличение концен­ трационных гтзадиентов и ускорение диффузионных передвижек, слу­ жит тем фактором, который обеспечивает возрастание линейной ско­ рости роста колоний.

Для ооъяснения механизма такого "саморегулирования" строения колоний следует обратиться к описанному в предыдущем разделе яв­ лению ячеистого формоизменения фронта кристаллизации.

э шюпессе однофазного затвердевания изменение микрорелье­ фа фронта кристаллизации, связанное с образованием зоны концен­ трационного переохлаждения расплава, приводит к формированию зтевжневои (олочпой) суоструктуры растущего кристаллита твердо­ го раствоца ipnc. 33) . При эвтектической кристаллизации то же яв­ ление лежит в основе образования тонкодифференшрованной разветв­ ленной структуры звтектик металличе&жх сплавов.

da ш с . 40.а представлен микроучасток эвтектической коло­ нии на начальном этапе ее формирования. Он имеет пластинчатое зтроение с относительно груоой диффеоенпировкой А . Следует от­ ветить, что чередование пластинчатых ответвлений является, в об­ лей случае, хаоактеоной Формой начального, периода эвтектической кристаллизации, А ХОРОШО очищенных двухкомпонентных сплавах, на­ правленно затвердевающих при относительно небольших скоростях охлаждения, пластинчатая структура формируется в течение всего процесса затвердевания.

- 70 -

Рис. 4.0