HomeСталь, сплавы › Процесс кристаллизации и структура сплавов Bi-Sb

Процесс кристаллизации и структура сплавов Bi-Sb

Процесс кристаллизации и структура сплавов Bi-SbКак же происходит затвердевание сплавов при этом типе диаграммы и какова получаемая их структура? Нужно различать два случая.

 

Первый случай — теоретический, отвечающий термодинамическому равновесию сплава. Это значит, что при затвердевании сплава малейшему изменению температуры отвечает соответствующее изменение количества твердой и жидкой фаз и их концентрации. Эти изменения можно проследить по полученной диаграмме равновесия, пользуясь правилом отрезков.

 

Возьмем для примера сплав с содержанием 40% Bi (60% Sb). Положение его на диаграмме (фиг. 56) отвечает ординате 40М. В точке / (на ликвидусе) начинается затвердевание: из жидкой фазы (Ж) образуются центры кристаллизации твердого раствора (Т). Согласно теории растворов1 и правилу отрезков, концентрация этих первых образований твердой фазы должна отвечать точке s (получаемой путем проведения конноды при этой температуре через нашу фигуративную точку /).

 

Эта концентрация получается значительно богаче, чем жидкость, компонентом Sb, повышающим температуру плавления (плавкость) наших сплавов. Что же касается количества твердой фазы, то при данной температуре (вернее, немного ниже ее) это количество ничтожно мало — близко к нулю (поскольку отрезок, соответствующий этой фазе на конноде, не имеет протяженности — точка).

 

Это показывает вместе с тем, что масса зародышей (центров кристаллизации) также ничтожно мала, в то время как жидкость отвечает почти всей массе сплава (отрезок Is). Но по мере понижения температуры, вырастающие из этих центров дендриты твердого раствора приобретают все большие размеры и массу, изменяя одновременно и свою

 

концентрацию, которую нетрудно определить по правилу отрезков; например, при более низкой температуре, отвечающей фигуративной точке и, количество твердого раствора будет составлять по весу уже такую часть всего сплава, как отношение отрезков ур, а концентрация образовавшихся в этот момент дендритов твердого раствора веред-н е м должна отвечать точке s.

 

Жидкая же фаза (остаточный раствор) при этом должна иметь концентрацию, отвечающую точке (при количестве, отвечающем -pj,Q).Ylpn этом нужно иметь в виду, что в условиях равновесия, как в жидком, так и в твердом растворах, состав или концентрация должна непрерывно выравниваться путем диффузии, так что точки s и  отвечают средней (выравненной) концентрации каждой из фаз.

 

В теории существует правило (Розебума), согласно которому образующийся из жидкости твердый раствор должен быть по концентрации более богат тем компонентом, который повышает температуру плавления сплавов.

 

С дальнейшим охлаждением процесс продолжается: твердые дендриты — зерна растут и увеличиваются в своей массе, а жидкость уменьшается. При температуре фигуративной точки у, например, количество твердой фазы будет составлять уже часть всего сплава, а средняя концентрация твердой равную отношению отрезков и жидкой фаз отвечает соответственно точкам s\» и Г.

 

Так мы доходим до температуры точки h на соли-дусе, когда наступает полное затвердевание сплава: жидкая фаза уже становится близкой к нулю (отрезок на конноде превращается в точку), а твердый раствор составляет всю массу сплава (вся коннода hi\’\»), причем средний, выравненный его состав отвечает точке h, т. е. исходному составу взятого сплава (равному 40% Bi), как оно и должно быть.

 

Таким образом, затвердевание нашего сплава в условиях полного равновесия, при непрерывном выравнивании состава (концентрации) твердого раствора приводит к образованию зерен, совершенно однозначных по составу во всей своей массе и, следовательно, не выявляющих в структуре ничего, кроме гранил взаимного соприкосновения. Это будет знакомая нам зернистая или полиэдрическая структура, такая же, как в чистых металлах.

 

Такая структура в практике, однако, получается обычно специальной обработкой, так называемым диффузионным отжигом (см. § 91). В процессе же затвердевания (в отливках) обычно получить такую структуру затруднительно, так как условия полного равновесия требуют столь медленного охлаждения жидкого сплава, какое в практике не всегда осуществимо. Поэтому описанный случай затвердевания сплава назван теоретическим. В практике мы к нему более или менее приближаемся, когда ведем искусственно замедленное охлаждение сплава.

Обычно же охлаждение литых сплавов проводится настолько быстро и отлично от равновесного, что не получается выравнивания концентрации в зернах твердого раствора и это оказывает влияние на его структуру.

 

Второй случай — практический: неравновесное затвердевание сплава. Рассмотрим теперь, как образуется эта структура в связи с процессом кристаллизации твердого раствора в условиях относительно быстрого охлаждения (при неполном равновесии сплава). Здесь, конечно, нельзя определять составы и количества фаз по правилу отрезков и нужно основываться на наблюдениях, произведенных при разных скоростях охлаждения.

 

Как показали исследования, при таком затвердевании нельзя заметить начальный момент образования зародышей твердого раствора и их постепенного разрастания в дендриты; мы замечаем уже значительно развитые (крупные) дендритные образования, которые составляют внутреннюю (центральную) часть каждого зерна. Концентрация этих («начальны х») дендритов точно не может бытьопре-делена (по диаграмме), так как она зависит от скорости охлаждения, но установлено твердо, что эта концентрация отлична от исходного состава сплава и сдвинута в сторону концентрации зародышей.

 

В нашем примере сплава с 40% Bi (фиг. 56) концентрация этих начальных дендритов должна быть сдвинута, следовательно, к точке s, т. е. будет заключаться между точками / и s и будет менее богата вторым, низкоплавким компонентом (Bi), чем исходный сплав с 40% Bi.

 

Поскольку эти начальные дендриты уже в значительной массе выделены из жидкости и имеют концентрацию менее 40 % Bi, постольку оставшаяся жидкость (маточный раствор) должна обогатиться висмутом и состав ее будет смещен правее исходного (40% Bi), т. е. будет обогащен висмутом. И здесь также нельзя точно указать состав жидкой фазы, но можно определенно утверждать, что он будет где-то правее 40% Bi (т. е. смещен в направлении конечной точки состава жидкости /\’\»)

 

Эта жидкость при дальнейшем охлаждении сплава будет тоже переходить в твердый раствор вокруг выделенных начальных дендритов, заполняя промежутки между их осями и образуя сплошные зерна, тесно примыкающие друг к другу. Очевидно эти участки жидкости, затвердевшие во вторую очередь, будут представлять наружные части зерен, которые будут отличаться от внутренних («начальных дендритов») по составу (концентрации), так как диффузия не успеет сравнять разность концентраций между внутренним и наружными участками зерна.

 

Таким образом получится то же явление ликвации, но особого вида, которую называют внутрикристаллической ликвацией, так как здесь разница состава наблюдается в пределах каждого зерна — между его внутренними и наружными участками.

 

Эта ликвация выявляется очень легко в микроструктуре при травлении шлифа. Применяя реагент (травитель), действующий неодинаково на твердый раствор разной концентрации, получаем резные оттенки между внутренней частью зерна дендритной формы («начальные дендриты») и окружающими их наружными участками н\’реп, вплоть до их границ.

 

Пример подобной структуры в нашем сплаве с 40% Bi показан Кб фиг. 58. При малом увеличении (фиг. 58, а) ясно видны светлые участки дендритной формы — сердцевина зерен, обедненная висмутом, на темном фоне окружающих эти дендриты наружных участков, представляющих тот же твердый раствор, но обогащенный висмутом.

 

Такая структура называется дендритной структурой твердого раствора; она характеризует происшедшую в сплаве внутрикристаллическую ликвацию. Последнюю часто называют также дендритной ликвацией в связи с получаемой при этом сердцевиной дендритного вида в структуре зерен твердого раствора.

 

Следует обратить внимание на то, что, несмотря на явно наблюдаемую форму дендритов в микроструктуре и на название «дендритная структура», по существу здесь пет обособленных дендритов, а в форме таковых выявляется лишь сердцевина зерен, которая когда-то в начале затвердевания представляла действительно начальные дендриты.

 

Последние заполняются в промежутках между осями и переходят в зерна с одной и той же фазой — твердым раствором, различающимся лишь по своей концентрации. Доказательством тому, что между дендритной сердцевиной и обволакивающими ее внешними участками твердого раствора нет границ раздела, может служить рассмотрение структуры при больших увеличениях; тогда ясно можно видеть отсутствие разграничивающей линии раздела между участками с разными оттенками.

Итак, структура сплавов -твердых растворов — может быть зернистая, если концентрация в зернах повсюду одинаковая, или дендритная, если имеет место внутрикристаллическая (дендритная) ликвация. Дендритная ликвация наблюдается в сплавах лишь в том.случае, если образование твердого раствора протекает в интервале температур, т. е. если на диаграмме плавкости между линиями ликвидуса и солидуса имеется некоторый промежуток температур.

 

Чем больше этот промежуток, тем больше получается и степень л и к в а ц и и, т. е. разность концентраций между внутренними и наружными слоями зерен.

 

Таким образом, хотя при обычном затвердевании сплавов-твердых растворов- мы не можем определять процесс равновесной диаграммой плавкости, последняя все же дает для практики ценное указание. Глядя на диаграмму плавкости, по интервалу температур между линиями ликвидуса и солидуса можно судить, большая ли может быть ликвация в сплаве. Чем больше интервал затвердевания сплава, тем степень ликвации в нем должна быть больше, и наоборот.

 

Необходимо отметить, что существуют и такие сплавы — твердые растворы, которые всегда затвердевают без ликвации, так как  не изменяют концентрации при кристаллизации из жидкости и имеют одну1 лишь точку затвердевания. Существование такого .сплава в системе сказывается на диаграмме плавкости появлением точки максимума или минимума, как показано  Подобная диаграмма называется диаграммой с минимумом, и сплав, отвечающий по составу точке т, будет таким, который затвердевает в одной этой точке и не дает дендритной ликвации.

 

Этот тип диаграммы можно рассматривать как разновидность второго типа диаграммы для случая беспредельной взаимной растворимости компонентов в твердом состоянии.

Article Global Facebook Twitter Myspace Friendfeed Technorati del.icio.us Digg Google StumbleUpon Eli Pets

Comments are closed.