Файл: Бунин К.П. Анализ фазовых равновесий и кристаллизации металлических сплавов учеб. пособие по курсу Металлография.pdf

1)линии ликвидус и солидус предполагаются прямыми, в свя­ зи с чем коэффициент распределения К, равный отношению концен­ трации компонента Б в сб - фазе к концентрации его в жидкости, является постоянной величиной (рве. 28);

2)скорость диффузии в твердой фазе пренебрежимо мала в сравнении с диффузией в жидкости;

3)в жидком растворе перемешивание осуществляется только путем диффузии;

4)поскольку выделенный наш участок не отличается от со­ седних, то результирующие диффузионные потоки в жидкости перпен­ дикулярны поверхности раздела фаз;

5)состав пограничного слоя твердой фазы близок к равно­ весному, т.е. равен произведению коэффициента распределения на концентрацию компонента Б в жидкости, омывающей фронт кристал­ лизации.

Вначальный момент кристаллизации <=>С - фазы на рассматрнваемемучастке она имеет состав К CQ (предполагается, что пере­ охлаждение жидкости мало). Выделение из жидкого раствора слоя

оС - фазы, обедненного компонентом Б, приводит к обогащению этим компонентом прилегающей жидкости. Следующий слой оС - фазы будет характеризоваться более высокой концентрацией Б, так как он выделяется из жидкости, обогащенной этим компонентом. Концен­ трация Б в жидкой и твердой фазах будет увеличиваться до тех пор, пока при постоянной скорости роста не установится стационарный

- 49 -

- 50 -

режим, когда количество атомов Б, накапливающихся У фронта крис­ таллизации в единицу времени, будет равно количеству атомов, диф­

фундирующих от фронта кристаллизации в объем жидкой фазы. При та­

ком режиме перед фронтом кристаллизации устанавливается определен­ ное (характерное для данной скорости затвердевания) распределение компонента Б в жидком растворе. Это распределение можно оценить следующим образом.

Пусть кривая на рис. 29 (вверху) выражает устойчивое распре­

деление Б перед фронтом кристаллизации.

Устойчивость состояния предполагает сбалансированность при­

Решение зтого уравнения позволяет определить, концентрацию

легкоплавкого компонента в жидкости (Сж) на любом расстоянии (х)

от фронта кристаллизации: ^

Эта зависимость свидетельствует о том, что компонент Б рас­ пределяется в жидком растворе по экспоненциальному закону, как это и показано схематически на рис. 29. При больших значениях х, т.е. на большом расстоянии от фронта кристаллизации, жидкий рас­ твор имеет исходный состав С0 . Возле фронта кристаллизации, т.е. при х = 0, жидкость содержит максимальное количество Б, здесь

с ж = с0/к.

Таким образом, в процессе роста анализируемого нами микро­ участка (рис. 27 , 29 ) можно выделить 3 этапа. На первом этапе

- 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.

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

- 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.

- 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-

- 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.