Тема 4. Формирование структуры сплавов при кристаллизации.

4.1. Процесс кристаллизации и фазовые превращения в сплавах

В жидком состоянии большинство металлов неограниченно растворяется друг в друге, образуя однофазный жидкий раствор. Переход сплава из жидкого состояния в твердое, как и при кристаллизации чистых металлов, протекает только при наличии некоторого переохлаждения, когда энергия Гиббса жидкой фазы оказывается выше энергии Гиббса твердой фазы.

Любые твердые фазы, образующиеся в жидком сплаве, отличаются по составу от ис-ходного жидкого раствора, поэтому для образования устойчивого зародыша необходимы не только гетерофазные флуктуации, но и флуктуации концентрации.

Флуктуациями концентрации называют временно возникшие отклонения химического состава сплава в отдельных малых объемах жидкого раствора от среднего состава.

Такие флуктуации возникают вследствие диффузионного перемещения атомов веще-ства в результате тепловых движений в жидком растворе.

Зародыши новой фазы может возникнуть только в тех микрообъемах исходной фазы, состав которых в результате флуктуации концентрации и расположения атомов соот-ветствует составу и строению новой кристаллизующейся фазы.

Превращения в твердом состоянии протекают в результате образования зародышей но-вой фазы и последующего их роста. Фазовые превращения в твердом состоянии также долж-ны отвечать основному термодинамическому условию - уменьшать энергию Гиббса всей системы.

G = - GV + Gпов + Gдеф.

где G- изменение энергии Гиббса;

GV - уменьшение энергии при образовании зародыша новой фазы

Gпов - увеличение энергии за счет образования поверхности раздела между заро-дышем новой и исходной фазы

Gдеф. - увеличение энергии за счет упругой деформации матрицы вблизи зародыша

Для начала превращения необходимо, GV  Gпов + Gдеф. Обычно зародыши обра-зуются в дефектных местах кристаллической решетки, на границе зерен, в местах скопления дислокаций, на включениях примесей и т.д. Это объясняется уменьшением работы образо-вания зародышей, ускорением диффузионных процессов и тем самым облегчением получе-ния концентрационных флуктуаций, необходимых для зарождения новой фазы.

При образовании зародышей новой фазы во многих случаях соблюдается принцип структурного и размерного соответствия. Пока на границе новой и исходной фаз сущест-вует сопряженность, или когерентность, решеток по определенным кристаллическим плос-костям, рост новой фазы идет с большой скоростью, так как атомы перемещаются упорядо-ченно на незначительные расстояния (рис.20 а).

Однако образование зародыша новой фазы влечет за собой возникновение упругой энергии за счет разности удельного объема исходной и новой фаз. Величина этой энергии в некоторый момент превышает предел упругости среды, что вызывает сдвиговую деформа-цию, нарушение когерентности и образование межфазовой границы (рис.20 б).

Вследствие этого когерентный рост становится невозможным. При высоких температурах когерентность быстро нарушается, однако рост кристаллов новой фазы продолжается достаточно быстро, но уже в результате диффузионного перемещения атомов от матричной фазы к новой через границу раздела фаз. Такой механизм превращения называется диффузионным или нормальным.

Если при этом между исходной и новой фазами существует структурное соответствие, то новая фаза располагается вдоль определенных кристаллографических плоскостей исход-ной фазы в виде пластин и игл. Такую структуру называют видманштеттовой.

При больших скоростях охлаждения можно подавить нормальные диффузионные пре-вращения, превращения протекают сдвиговым путем, в основе которого лежит кооператив-ное и закономерное перемещение атомов, когда они, сохраняя своих соседей, смещаются по отношению друг к другу на расстояния, меньше межатомных. Новая фаза когерентна и свя-зана с исходной, при нарушении которой рост кристаллов прекращается, так как при низких температурах переход атомов невозможен. Такое превращение называют мартенситным, а образующую фазу мартенсит.