Бунин К.П., Баранов А.А. Металлография

Подождите немного. Документ загружается.

ческом состоянии: в интервале АС

устойчив раствор а, в интер-

вале

— смесь а + Р и в интервале С

Б — раствор р.

Характер изменения термодинамического потенциала жидкого

твердых растворов может быть иным, что приводит к изменению

вида диаграмм состояния. На рис. 39, б—д для разных температур

показаны

кривые термодинамических потенциалов фаз, образую-

щихся при сплавлении компонентов с разным типом кристалли-

ческой решетки. Если ограниченная растворимость встречается

системах, в которых сплавление компонентов либо повышает,

либо понижает температуру ликвидуса, то получается диаграмма

перитектического типа (рис. 39, а).

Такие

диаграммы характерны и для компонентов со сходной

решеткой, обладающих ограниченной растворимостью.

На

обеих диаграммах однофазные области существования а

р ограничены линиями насыщения компонентов

друг

друге

ИР

и ЛУ. ИР является линией растворимости Б в А, ЛУ —

линией

растворимости А в Б (рис. 38, а).

Чем меньше растворимость компонентов в твердом состоянии,

тем уже однофазные области существования растворов. В

случае

нерастворимости компонентов эти области выклиниваются и диа-

граммы приобретают вид, показанный на рис. 40, а, б. В реаль-

ных металлических сплавах полная нерастворимость компонентов

твердом состоянии невозможна. Даже в

случае

большого не-

сходства

атомов, исключающего возможность размещения одних

атомов в

узлах

или междоузлиях решетки

другого

компонента,

происходит хотя бы незначительное растворение, поскольку атомы

растворяемого элемента

могут

разместиться в децэектных участках

кристаллов растворителя (в скоплениях избыточных вакансий,

дислокациях, на границах зерен и блоков). Такого рода раство-

римость в основном связана с биографическими дефектами раство-

рителя: чем совершеннее его решетка, тем меньше растворимость,

случае

идеального монокристалла растворимость приближается

нулю. Поскольку все реальные металлы содержат дефекты,

растворимость указанного рода имеется всегда.

Кроме

однофазных и двухфазных состояний в двойных сплавах

возможно и трехфазное равновесие. При этом число степеней сво-

боды (С) в изобарических условиях равно нулю (С = К + 1 — Ф —

2+1 — 3 = 0, где К и Ф — соответственно число компонен-

тов и фаз), а равновесие

трех

фаз возможно при определенных

значениях температуры и состава

трех

фаз (жидкости и раство-

ров а и р). Для рассмотренных систем (см. рис. 38, а и 39, а)

трехфазное равновесие Ж + а + Р наблюдается при температу-

рах, соответствующих линиям ИКЛ или КИЛ, причем состав

жидкости определяется точкой К (С

), а составы растворов аир

соответственно И а Л (С

и С

). Трехфазное равновесие первого

типа (см. рис. 38, а) называется эвтектическим (состав жидкой

фазы

находится

между

составами кристаллических фаз). Трехфаз-

ное

равновесие второго типа (см. рис. 39, а) называется перитек-

тическим (состав жидкости находится вне интервала составов

твердых растворов).

Рис.

40. Примеры диаграмм состояния двойных сплавов,

компоненты

которых нерастворимы в твердом состоянии (а,

б) или образуют промежуточную фазу переменного (в) и по-

стоянного

(г) состава

Диаграмма состояния усложняется, когда компоненты обра-

зуют

промежуточные фазы. На этих диаграммах, помимо рассмот-

ренных ранее областей однофазных состояния (Ж, а и (3), появ-

ляются области устойчивости сплавов в виде промежуточной фазы

(например,

у, на рис. 40, в). Для систем с промежуточной фазой

определенного состава диаграмма показана на рис. 40, г.

ЗАРОЖДЕНИЕ КРИСТАЛЛОВ ТВЕРДОГО РАСТВОРА

ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ФАЗ

Затвердевание металлических сплавов, как и металлов, начи-

нается с образования зародышей самопроизвольно или на приме-

сях. В чистых металлах зародышем критического размера стано-

вилась крупная фазовая флуктуация. В жидком растворе заро-

дыш обычно обогащен компонентом, увеличивающим межатомную

связь.

Таким образом, зародышем становится фазовая флуктуа-

ция,

одновременно являющаяся и концентрационной. Достигнув

критической

величины, такая флуктуация способна к росту, ибо

присоединение

к ней атомов

ведет

к уменьшению термодинамиче-

ского потенциала сплава.

Воспользовавшись зависимостью термодинамического потен-

циала от концентрации и температуры, можно указать состав

величину зародыша критического размера.

Пусть кристаллизация сплава состава С

(рис. 41) начинается

при

температуре Т

. В переохлажденной до Т

жидкости (AT =

— Т

) возникают зародыши критической величины. По-

скольку зародыш и переохлажденная жидкость находятся в рав-

новесии

(лабильном), химические потенциалы компонентов в них

одинаковы:

Химические потенциалы ком-

понентов

в сферическом зародыше

с радиусом г равны

^+-

11? =

(49)

где

_ и [i° — химические потен-

циалы

компонентов

Л и £ в кристаллах

а-раствора с

г=оо;

Y — межфазное натяже-

ние;

— объем, занимаемый

одним атомом ком-

понента

А или Б

растворе а.

Для определения состава за-

родыша критического размера от-

ложим на осях ординат, соответствующих чистым компонентам,

отрезки,

равные -%- V. Прямая, соединяющая концы этих отрез-

кривой

термодинамического потенциала

Рис.41.

Термодинамический потен-

циал растворов (а) и диаграмма

состояния

(б)

ков,

должна касаться

твердого раствора при некотором значении г, равном г

кр

. Проек-

тируя точку касания на ось концентраций, получим состав заро-

дыша критического размера (С

). Из рис. 41 видно, что зародыш

критического размера обогащен тугоплавким компонентом по срав-

нению

с составом кристаллов а с плоской поверхностью (г = оо).

По

мере роста кристаллов а-раствора содержание в них ком-

понента

А увеличивается и приближается к С

. Благодаря изби-

рательной кристаллизации (выделению обогащенного тугоплав-

ким

компонентом ос-раствора) остающаяся жидкость приобретает

состав

и становится устойчивой.

результате

образования кристаллов

термодинамический

потенциал сплава, отнесенный к одному атому сплава, уменьшится

на

величину -п-

= а'б'.

Из

геометрического рассмотрения (рис. 41, а)

следует,

что из-

менение

термодинамического потенциала, отнесенное

одному

атому зародыша критического размера:

)

(50)

где

— число атомов

зародыше;

— содержание

Б в

нем.

Если

кристалл

находится под давлением Р, термодинамиче-

ский

потенциал, приходящийся на один атом, повышен на вели-

чину

], (51)

где

— атомные объемы компонентов

А и Б в

твердом

растворе.

случае

одного поверхностного давления

Р = —

получим

для зародыша критического размера (г

кр

)

-^•^[^(l-CJ

+ ViA]. (52)

Приравняв

левые части уравнений (50)

(52), определим

радиус зародыша критической величины:

2у1У

(1-С

)+У

)

Гк

Р-

(1С)+А|1ВС

Из

уравнения (53)

приведенного на рис. 41,

построения

следует,

что зародыш критического размера имеет минимальную

величину только при составе С

. Означает ли это, что кристалли-

зация

не может начаться на крупных фазовых флуктуациях иного,

чем С

, состава? По-видимому, нет. Фазовые флуктуации состава,

отличного от С

, но имеющие такие размеры, что удовлетворяются

условия ц^ s^ |л^

\i%

«g p,£, способны

росту, ибо присоедине-

ние

ним атомов компонентов

А и Б

приведет к снижению термо-

динамического потенциала сплава.

Аналогичным образом возникают зародыши химических соеди-

нений.

некоторых случаях образование зародышей твердых

растворов

химических соединений не сопровождается перерас-

пределением компонентов (зародыши имеют состав исходной жид-

кости).

Так происходит, например, при кристаллизации сплава

состава С

(см. рис. 36) и сплава, соответствующего соедине-

нию

(см. рис. 40, г).

Активные и активированные примеси облегчают зарождение

кристаллов твердого раствора и промежуточных фаз. Как и в ме-

таллах,

увеличение переохлаждения уменьшает работу образова-

ния

зародышей и ускоряет зарождение. Как

следует

из диаграммы

(рис.

41, б), с увеличением переохлаждения уменьшается и различие

составов зародыша критического размера и исходной жидкости.

РОСТ КРИСТАЛЛОВ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ

ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ФАЗ

Рост кристаллов твердого раствора и промежуточных фаз

также происходит вследствие перехода атомов жидкости к твердой

фазе и присоединения их к краям ступенек. Если переохлажде-

ние

велико, возможен и нормальный рост кристаллов. Особен-

ностью затвердевания сплавов является изменение состава жид-

кости

и твердой фазы во время

кристаллизации,

совершающей-

ся,

как правило, в интервале

температур.

Р Р П R

и о

Рис.

42. Диаграммы

состояния

сплавов,

компоненты

которых полностью

растворимы

в жидком и твердом состояниях

Рассмотрим кристаллизацию твердого раствора в двойной

системе, компоненты которой обладают неограниченной раство-

римостью в жидком и твердом состояниях (рис. 42, а). Рост кри-

сталлов, как и зарождение,

требует

переохлаждения расплава

относительно линии ликвидуса. Выделяющиеся в первый момент

кристаллы раствора обогащены тугоплавким компонентом Б. Если

они

достигли таких размеров, что влиянием поверхностного давле-

ния

можно пренебречь, их состав при температуре Т

соответ-

ствует

». Остающаяся жидкость обедняется компонентом Б.

Это обеднение происходит прежде всего вблизи поверхности кри-

сталлов. Здесь жидкость быстро приобретает равновесный со-

став С' и оказывается химически неоднородной: вблизи кристал-

лов она обеднена компонентом Б, а вдали от них имеет исходный

состав, т. е. пересыщена компонентом Б (отрезок ев' указывает

пересыщение).

Из-за этой неоднородности в жидкости происходит

диффузионный

перенос атомов Б к фронту кристаллизации, а ато-

мов А от него.

Доставка атомов компонента Б к поверхности растущего кри-

сталла может происходить и в

результате

конвективного переме-

шивания

жидкости. Сначала выравнивание состава жидкости

обеспечивает дальнейший рост кристаллов. Однако постепенно

средний состав жидкости изменяется от Со к С

>. Когда вся

жидкость приобретает состав С

-, рост кристаллов прекратится

между

нею и твердым раствором состава С

" установится равно-

весие. Определим количественное соотношение фаз, находящихся

равновесии при температуре Т

. Пусть из общего количества

F граммов сплава х граммов находится в виде кристаллов, a F—х

граммов в виде жидкости. В сплаве содержится АС

= ов процен-

тов компонента Б. При температуре Т„ в равновесии находятся

жидкость состава С

- и кристаллы состава С

». В жидкости

(F—х) ов' граммов, в кристаллах х-ов" граммов компонента Б.

Поскольку

количество компонента Б в сплаве остается неиз-

менным,

то

F-ов = (F—x) ов' + х ов", (54)

откуда

-s- — —!jr или -=. = ——. (55)

F в в" F — х ев

Это соотношение называется правилом отрезков или правилом

рычага.

Сколь

угодно длительная выдержка сплава при Т

не приведет

образованию большего количества кристаллической фазы, чем

это

следует

из правила отрезков. Чтобы вызвать дальнейшую

кристаллизацию, необходимо охладить сплав ниже Т

, например

до Т

. При этом жидкость состава С

« переохлаждается и имею-

щиеся

кристаллы

растут.

При большом переохлаждении

могут

зарождаться и новые кристаллы.

Если

кристаллизация происходит в

результате

роста уже

имеющихся кристаллов, то новые слои твердого раствора также

содержат компонента Б больше, чем сохранившаяся жидкость.

Состав их близок к равновесному для данной температуры — С

Так

как ранее выделившиеся внутренние части имели состав С>,

т. е. были богаче компонентом Б, то кристалл оказывается хими-

чески неоднородным. Эту неоднородность называют внутрикри-

сталлической ликвацией. В таких кристаллах происходит диффу-

зионный

перенос атомов Б из внутренних участков к периферий-

ным,

а атомов компонента А из периферийных к внутренним.

Скорость диффузии в кристаллах на несколько порядков меньше,

чем в жидкости, и ликвация может сохраниться.

Достаточно длительная выдержка сплава при

обеспечивает,

однако,

выравнивание состава кристалла

по

всему сечению.

Когда кристаллы приобретут однородный состав

«, а вся жид-

кость состав

рост прекратится

установится равновесие.

При

этом количественное соотношение

фаз

можно определить

по

•утг

правилу отрезков

— =

—г-.

Кристаллизация

оставшейся жидкости состава

продол-

жается

при

охлаждении ниже

Охлаждение

до

температуры

слегка ниже

выдержка приведет

затвердеванию всей жид-

кости,

причем последний остаток

ее

имеет состав

Сд'.

Картина

кристаллизации

не

изменится, если ступенчатое

охлаждение заменить медленным непрерывным.

И в

этом

случае

ее можно свести

большому числу отклонений

от

равновесия

(переохлаждения)

приближения

равновесию (выдержка). Если

скорость охлаждения мала

(или

выдержки

при

каждом переох-

лаждении длительны)

диффузия успевает выравнять состав твер-

дого раствора, затвердевший сплав состоит

из

химически однород-

ных кристаллов состава, соответствующего исходному

Аналогично кристаллизуются

тройные сплавы

системах

с полной растворимостью компонентов

жидком

твердом

со-

стояниях

(рис.

42, б).

При охлаждении тройного жидкого раствора

состава

кристаллизация становится возможной при температуре

ниже

Появляющиеся кристаллы тройного раствора

обога-

щены

тугоплавким компонентом

Б. В

условиях равновесия

при

состав кристаллов описывается точкой

(С

), находящейся

на

поверхности солидуса. Равновесный состав жидкого раствора

характеризуется точкой выхода коноды

на

поверхность ликвидуса

(точка

д).

Таким образом, рост кристаллов при

влечет

за

собой

изменение

состава жидкости

от С

до С

Изменение

состава жидкости

условиях медленного охлажде-

ния

описывается линией бди (на поверхности ликвидуса),

измене-

ние

состава кристаллов твердого раствора— линией

ег

(на поверхно-

сти солидуса). Сплав полностью закристаллизуется при температу-

ре

будет

состоять из кристаллов твердого раствора состава

Кристаллизация

сплавов

системах

ограниченной раство-

римостью компонентов

твердом состоянии происходит по-раз-

ному. Сплавы состава левее точки

И и

правее точки

(рис.

38, а)

кристаллизуются

так

же, как сплавы

системах

неограниченной

растворимостью компонентов

твердом состоянии. После кристал-

лизации

условиях медленного охлаждения

они

состоят

из

кри-

сталлов

а или р\

Иначе

происходит затвердевание сплавов интервала

(см.

рис.

38, а) и С

(рис.

39, а). В

сплавах интервала

(рис.

38, а)

кристаллизация начинается

образования

рас-

твора

а,

обогащенного компонентом

А. При

дальнейшем росте

кристаллов жидкость обогащается компонентом

Б. При

медлен-

ном

охлаждении сплава

до

эвтектической температуры изменение

состава кристаллов характеризуется линией

И, а

жидкости

—

линией

К.

При достижении эвтектической температуры

равно-

весии

будут

находиться кристаллы ос состава

жидкость эвтек-

тического состава

количественное соотношение

их

опреде-

ляется правилом отрезков.

В сплавах интервала

вначале выделяются кристаллы

р,

а жидкость обогащается компонентом

А.

При эвтектической

тем-

пературе

кристаллы

приобретают состав

, а

жидкость

—

эвтектический состав

. Для

завершения затвердевания надо

охладить сплавы

до

температуры ниже эвтектической.

резуль-

тате

жидкость распадается

на две

твердые фазы

(Ж

—» ос

+ Р).

Этот процесс рассматривается дальше.

Затвердевание сплавов интервала

(см.

рис.

39, а)

начи-

нается

образования раствора

р.

Выделение кристаллов

р и

обо-

гащение остающейся жидкости компонентом

происходят вплоть

до перитектической температуры

Полностью закристаллизо-

ваться

эти

сплавы

могут

лишь

при

охлаждении ниже перитекти-

ческой температуры. При этом происходит перитектическая

кри-

сталлизация,

результате

которой сплавы правее

приобретут

+ р

состояние,

сплавы левее

—

двухфазное состояние

ос

+ Ж.

Затвердевание последних завершится лишь при охлажде-

нии

ниже линии солидуса

И.

Жидкость состава

закристал-

лизуется

виде одного раствора ос. Перитектическая кристалли-

зация

рассмотрена ниже.

Кристаллизация

твердых растворов

тройных эвтектических

перитектических системах

ограниченной растворимостью ком-

понентов

твердом состоянии происходит,

принципе,

так же,

как

и в

двойных системах.

Промежуточные фазы переменного состава кристаллизуются

подобно твердым растворам.

некоторых случаях выделение

промежуточных

фаз при

медленном охлаждении может

и не со-

провождаться перераспределением компонентов

между

жидкостью

кристаллами (состав промежуточной фазы соответствует составу

исходного жидкого раствора).

Это

возможно

при тех

концентра-

циях, при которых

на

диаграммах состояния наблюдаются экстре-

мумы (сплавы состава

на

рис.

40, г). Это

справедливо

для

сплавов состава

С„ (см.

рис.

36).

Описанные

здесь изменения, происходящие

сплавах

во

время

кристаллизации,

возможны после длительных выдержек

или мед-

ленного охлаждения

реализуются

на

практике

не

всегда. Вырав-

нивание

состава фаз происходит вследствие диффузии, требующей

времени.

При недостатке времени

сплавах обнаруживаются

раз-

личные отклонения

от

равновесия:

жидком растворе возникает

концентрационное

переохлаждение,

а в

твердом

—

внутрикри-

сталлическая ликвация.

При

полной задержке диффузии проис-

ходит

безызбирательная кристаллизация.

Б. КОНЦЕНТРАЦИОННОЕ ПЕРЕОХЛАЖДЕНИЕ

Кристаллизация жидкого раствора компонентов

А и Б

обычно

происходит

интервале температур. Добавки компонента

могут

понижать

(рис. 43, а) и

повышать

(рис. 43, б)

этот интервал.

Для характеристики влияния второго компонента пользуются

понятием

коэффициенте распределения

(К

который равен

отношению концентраций компонента

Б в

твердой

жидкой фазах:

Если компонент Б понижает температуру кристаллизации

сплава, К

меньше единицы, а если повышает — К

больше

единицы.

Рассмотрим распределение компонента Б в жидком растворе

у фронта кристаллизации. Если диффузионные процессы вырав-

нивают состав жидкого и твердого растворов, распределение ком-

понента Б при Т = Т

для случая К

< 1

будет

таким, как пока-

зано на рис. 44. Жидкость и кристаллы имеют постоянный со-

став С

и С

соответственно, а на границе

существует

скачок

концентраций.

Если твердая фаза содержит немного компонента Б, концен-

трация его в жидкости вблизи кристаллов увеличивается. Компо-

нент Б не успевает продиффундировать

вглубь

и накапливается

до тех пор, пока жидкость у кристалла не приобретает состав С

(рис.

44). С удалением от кристалла содержание компонента Б

в жидкости уменьшается и на некотором расстоянии достигнет

исходного значения С

. Толщина обогащенного компонентом Б

слоя зависит от скорости роста кристаллов и подвижности атомов

в жидкости. С увеличением скорости роста толщина слоя умень-

шается. Обычно она составляет

10"

—10~

см.

Концентрация

компонента Б в жидком растворе на расстоя-

нии

х от. фронта кристаллизации

где D — коэффициент диффузии компонента Б в жидкости;

— скорость роста кристалла.

Выражение (56) применимо и в случае, когда К

> 1 (см.

рис.

44, б).

Неравномерное распределение компонента Б в жидкости

обусловливает и различие температур ликвидуса в разных ее

участках.

Если линия ликвидуса близка к прямой, температура

ликвидуса на расстоянии х от фронта кристаллизации

, (57)

где

т —

тангенс

угла

наклона линии ликвидуса.

Рис.

43. Различные случаи влияния компонента Б на интер-

вал кристаллизации сплава

См

С„

•

Расстояние

•Расстояние

Рис.

44. Распределение компонента Б на фронте кри-

сталлизации при медленном (а) и быстром (б) охлаж-

дении

Рис.

45. Температура ликвидуса (Т

) и фактическая темпера-

тура

(Тф) у фронта кристаллизации