Определение фазового состава и структуры сплавов в условиях равновесия

Чистые металлы и однофазные сплавы (твердые растворы) имеют в литом состоянии характерную дендритную структуру (рис.61, б), а после пластической деформации и отжига, приводящего металл в равновес­ное состояние, структура состоит из сравнительно одинаковых по форме зерен (равноосных полиэдров) (рис. 61, а).

Применяя глубокое травление, в этих структурах можно выя­вить так называемые фигуры травления — геометрически правиль­ные углубления или выступы, ограниченные определенными кри­сталлографическими плоскостями. Измеряя углы между гранями или определяя направления ребер на фигурах травления, можно установить ориентировку каждого кристаллита и, следовательно, ориентировку всей совокупности кристаллитов. Наконец, на одно­фазных сплавах можно выявить дислокации, представляющие собой особый вид линейных дефектов кристалла. Они выявляются по специальным фигурам травления — группировкам пятен травления. Эти пятна связаны с более силь­ной травимостью металла в обла­сти выхода скопления дислокаций на поверхность, а также со ско­плением примесей на дислокациях. Для выявления пятен травления применяют различные реактивы, зависящие от природы металла и требующие особенно тщательной подготовки поверхности микро­шлифа, исключающей механиче­ское воздействие. По расположе­нию пятен травления можно опре­делить особенности тонкого строе­ния кристалла — размеры блоков и степень их дезориентации. По числу пятен травления можно вычислить плотность дислокаций.

Многофазные, в том числе двухфазные, сплавы имеют более сложную структуру, состоящую из различного сочетания фаз, например в виде эвтектики, эвтектоида и др.

На рис. 43, б показана структура эвтектического чугуна. Если сравнить структуру эвтектоида железоуглеродистых сплавов (рис. 44, ж) со структурой эвтектики, то видно, что обе структуры имеют тонкое строение, однако эвтектоид является более дисперсным, так как образуется при распаде твердого раствора, когда процессы диффузии протекают более замедленно.

В многофазных сплавах, не соответствующих по химическому составу точно эвтектической концентрации, наряду с эвтектикой выделяется также избыточная фаза (рис. 43, а, в; 44, б-е, з).

Избыточная фаза, кристаллизующаяся из жидкости, имеет обычно форму крупных зерен или дендритов; это связано с особенностями роста избыточной фазы в процессе застывания сплава в ин­тервале температур между ликвидусом и солидусом.

Избыточные фазы, выделяющиеся из твердого раствора, имеют разнообразную форму, например игольчатую, зернистую или весьма часто в виде оторочки (сетки) по границам зерен (рис. 1). Формы выделений и свойства избыточной фазы в значительной степени влияют на свойства всего сплава. Если, например, избыточная фаза является твердой и хрупкой, то выделение ее в виде сетки (рис. 1, б)значительно ухудшает пластичность и вязкость всего сплава; равномерное распределение избыточной фазы в виде мел­ких включений зернистой формы в основной фазе повышает проч­ность сплава, не вызывая резкого снижения пластичности (рис. 1, а).

Рис.1. Заэвтектоидная сталь, выделение избыточного (вторичного) цементита: а – в зернистой форме × 600, б - в виде сетки по границам зерен × 200, в – в виде игл

× 600

 

На рис. 2 показана двухфаз­ная структура, полученная в ре­зультате перитектической реак­ции. Округлые участки представ­ляют собой фазу α, образованную в начале кристаллизации, а об­ласть вокруг этих участков — фа­зу β, полученную в результате перитектической реакции. Опреде­ление структуры перитектики пред­ставляет больше затруднений, чем определение других многофазных структур, поскольку в условиях охлаждения сплавов, применяе­мых на практике, перитектическая реакция, как проходящая на поверхности раздела фаз, обычно не протекает до конца.

Тройные и более сложные сплавы также имеют подобные формы структурных составляющих — однофазных твердых растворов и избыточных фаз. Несколько иную форму имеют сплавы, содержащие эвтектику. На­пример, при кристаллизации тройного сплава, не соответ­ствующего точно эвтектиче­скому составу, сначала выде­ляется избыточная фаза, за­тем двойная эвтектика и в последнюю очередь при окон­чании застывания — тройная эвтектика. Двойная эвтек­тика в сплаве из трех ком­понентов кристаллизуется в интервале повышенных тем­ператур, в то время как трой­ная эвтектика кристалли­зуется при постоянной и бо­лее низкой температуре.

 

Рис.2. Структура перитектики в сплаве Sn – Sb; выделение второй фазы вокруг первичных кристаллов × 500

 

Поэтому выделения двойной эвтектики более крупные и лег­че различаются при микроанализе, чем выделения тройной эвтектики. На рис. 3 показана микроструктура тройного сплава системы Рb—Bi—Sn, соответствующего по составу линии двойных эвтектик. Такой сплав не имеет избыточной фазы; на фотографии видны участки с более дифференцированной структурой (двойная эвтектика), расположенной в основной, менее различимой металлической массе, представляющей выделения тройной эвтектики.

 

Рис. 3. Структура сплава Pb-Bi-Sn с двойной и тройной эвтектикой ×100