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

- 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

-71 -

Впрактических условиях на поверхности двухфазного фронта кристаллизации происходят изменения микрорельефа, начало коте— оых показано на рис. 40,6 . Жидкий раствор перед участком какойдиоо из фаз ооогшлен растворенным компонентом. В связи с образо­ ванием зоны концентрационного переохлаждения на поверхности этой лазы ^например, ск, ) появляются выступы. Возникновение боковых концентрационных градиентов приводит к обогащению жидкости, раз­ деляющей выступы, компонентом Б. При описанной ранее однофазной кристаллизации это обогащение приводило бы к образованию длинных межячеистых каналов, затвердевающих в последнюю очередь и обра­ зующих суограгошы. Теперь же большое значение имеет присутствие

зядом с отмеченным участком второй твердой фазы эвтектики /б -

твердого раствора. Ответвления 0 врастают в жидкость, обогащенную компонентом Б. и Фиксируют расчленение пластины оС - фазы (рис.

40.в ). Аналогичные сооытия наблюдаются и на фронте кристаллиза­ ции d - пазы. Дифференцировка эвтектики уменьшается.

При формировании эвтектической колонии одна из кристалли­ ческих ФНЗ играет доминирующую роль. Эта фаза является базовой - в данной системе колонии возникают на базе кристаллов этой фазы. 3 процессе роста колонии ответвления базовой фазы обычно первыми врастают в жидкости, в связи с чем можно говорить о том, что эта Фаза "ведет" эвтектическую кристаллизацию. Наиболее отчетлизо ведущая роль базовой фазы проявляется в наследовании эвтекти­ ческой колонией Формы кристаллов э*ой фазы. Другими словами, в зависимости от режима охлаждения сплава при затвердевании эвтек­ тическая колония приобретает форму таких'же полиэдров, дендритов или сшеоолитов. какие характерны для происходящей в сходных усло­ виях однофазной кристаллизации базовой фазы и обусловлены особен­ ностями ее кристаллохимической природы.

- 72 -

Эти хе особенности в существенной мере определяют и архитек­

тонику эвтектических колоний, вид их сечений на микрошлифах. Если для ведущей фазы характерно образование в процессе однофазной кри­ сталлизации правильных кристаллогеометрических форм, то и зерна эвтектик имеют такие же формы. В зависимости от объемной «оли, занимаемой ведущей фазой в эвтектике, возникают скелетные (рис. 41,а ) или сотовые (рис. 41,6 ) структуры. Если же ведущей фа­

зе присущи геометрически неправильные формы роста, то в эвтектические

колонии имеют такие же неправильные формы (рис. 41,в ).

Рассмотренная картина характерна для нормальной эвтектической

кристаллизации, признаком которой является прямой контакт обеих кристаллических фаз с распадающейся жидкость».

Эвтектическая кристаллизация, однако, может происходить и

от жидкости (рис. 42). Конечным результатом абнормального эвтекти­

- 74 фазы и для диффузия компонента Б в противоположном направлении.

Движущей силой диффузии является различие химических потенциалов,

описывается точкой 10. Разность химических потенциалов, обуслов­ ленная перепадом концентраций CJQ - Cg, и определяет диффузию компонента А в Jj> - растворе от границы с жидкостью к границе с

последней компонентом Б здесь постоянно поддерживается возможность дальнейшей кристаллизации J$ твердого раствора. Эти процессы за­

вершаются с исчезновением жидкости и сплав приобретает структуру, состоящую из кристаллов сС -фазн, заключенных в кристаллах ft •

Схема образования такой эвтектической структуры, называемой ао— нормальной или вырожденной, представлена на рис.- 42.

Рассмотрим теперь затвердевание сплавов, отличающихся по_ хи­ мическому составу от эвтектического (рис. 43). Этот процесс скла­

дывается из двух этапов: однофазной кристаллизации, в ходе кото­ рой выделяются первичные кристаллы одной из фаз, а жидкость при­

нимает эвтектический состав, и эвтектического распада этой жидко­

сти. Выше приведен детальный анализ каждого из таких этапов. По­ этому ограничимся кратким описанием микроскопической лартинн структурообразования в до- и заэвтектических сплавах.

Доэвтектический сплав состава начинает затвердевать при

- 7э -

авреохлаждении до температур ниже ликвидуса АЕ. В жидкости зарож­ даются ж растут кристаллы с?С фазы (рас. 44,а ), при этом жидкий ""створ обедняется компонентом А. Изменение состава <у(/ - фавн в этюдесое кристаллизации можно приближенно описать движением ее фи­ гуративной точки по линии ликвидуса ( Cj — * С 3 — * С и ) , измене­ ние состава жидкости - движением ее фигуративной точки по Л Е Д И

ликвидуса ( С2 — С 4 —г- Cg ) .

количественные соотношения первичной аС - фазы и жидкости яа различных температурных уровнях можно определять уравнениями:

ашеость эвтектического состава Cg при переохлаждении ниже темпе-

i эвтектикой зависит не только от химического состава сплава, но

1 от СКОРОСТИ охлаждения ПРИ кристаллизации. При ускоренном ох­ лаждении количество первичной сС - фазы,выделяющейся до нача­ ла совместной кристаллизации обеих твердых фаз, уменьшается, а количество эвтектики - увеличивается. В доэвтектических сплавах,