Фазовые превращения при кристаллизации сплавов

Рассмотрим фазовые превращения при охлаждении (процесс кристаллизации), например, сплава N (см. рис.1 а).

Из точки N на оси концентраций восстановим перпендикуляр N–N. Точки пересечения с линиями диаграммы обозначим цифрами 1 и 2.

При понижении температуры до t₁ происходит простое охлаждение ненасыщенного относительно кристаллов жидкого сплава без изменения его состава. Число степеней свободы: С = К+1–Ф =2(А, В)+1–1(L)=2.

В точке 1 жидкость пересыщается кристаллами α и начинается выделение кристаллов (кристаллизация). На кривой охлаждения, которая строится в координатах «температура-время» (см. рис 1, б), отмечается перегиб, связанный с уменьшением скорости охлаждения вследствие выделения скрытой теплоты кристаллизации.

Процесс кристаллизации протекает при понижающейся температуре, так как согласно правилу фаз в двухкомпонентной системе при наличии двух фаз (жидкость и кристаллы α) число степеней свободы С = К+1–Ф=2(А, В)+1–2(L, α)=1.

По мере понижения температуры и протекания кристаллизации меняется весовое соотношение (количество жидкой фазы уменьшается, количество твердой – возрастает) и изменяется химический состав фаз (жидкой – по линии ликвидус, твердой – по линии солидус).

При понижении температуры от t₁ до t₂ состав жидкой фазы меняется по линии 1-2' (проходя точку m), а состав твердой фазы – по линии 1'-2 (проходя через точку n). Это записывают следующим образом:

L_1-m-2′ α_1′-n-2 или L_1-2′ α_1′-2.

Таким образом, выделяющиеся в процессе кристаллизации кристаллы твердого раствора имеют различный, в зависимости от температуры кристаллизации состав. Однако при медленном охлаждении процессы диффузии в жидкой и твердой фазах (объемная диффузия), а также процессы взаимной диффузии между ними (межфазная диффузия) успевают за процессом кристаллизации. Поэтому после затвердевания сплава состав всех зерен твердого раствора будет соответствовать исходному составу сплава.

При достижении температуры t ₂ кристаллизация заканчивается. С понижением температуры происходит простое охлаждение сформированного твердого сплава, без изменения состава. Число степеней свободы: С = К+1–Ф=2(А, В)+1–1(α)=2. На термической кривой (см. рис 1, б) будет перегиб, который обусловлен увеличением скорости охлаждения полностью твердого сплава с постепенным затуханием при приближении к комнатной температуре.

Схематическое изображение трансформации структуры сплава при охлаждении и происходящие реакции показаны на рис.1, б.

Микроструктурой твердого раствора под микроскопом имеет вид равноосных зерен (рис.2). Избирательная травимость (разный оттенок серости различных зерен) связана с разной ориентировкой их решеток относительно плоскости шлифа. Темные пятна - дефекты полировки ("грязь").

Описанные выше фазовые превращения при охлаждении сплава N можно кратко записать в следующем виде:

а б

Рис.2. Микроструктура твердого раствора под микроскопом (а, х100) и её схематичное изображение (б)

1. При охлаждении из жидкого состояния до температуры начала кристаллизации t₁ число степеней свободы С=2. Идет простое охлаждение жидкости L_N.

 

2. При охлаждении в интервале от t₁ до t₂ число степеней свободы С=1. Происходит кристаллизация α- твердого раствора:

L_1-2′ α_1′-2.

3. При охлаждении от t₂ до t_ком число степеней свободы С=2. Идет простое охлаждение α- твердого раствора: α_N.

 

Правило отрезков

Чтобы в конкретном сплаве при заданной температуре определить концентрацию компонентов в фазах, через фигуративную точку, характеризующую состояние сплава, проводят коноду – горизонтальную линию до пересечения с линиями диаграммы, ограничивающими данную область. Проекции точек пересечение на ось концентраций показывают состав фаз. Отрезки между фигуративной точкой и точками, определяющими состав фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз.

Например, для определения состава фаз при температурах t₁, t_K, t₂ сплава N (см. рис. 1, а), через фигуративные точки 1, k, 2 проводим коноды. Проекции точек пересечения конод с линией ликвидус на ось концентраций показывают состав жидкой фазы (1, m, 2′), а точек пересечения с линией солидус(1′, n, 2) – состав твердой фазы.

Как уже отмечалось, в процессе кристаллизации изменяется не только состав фаз, но и количественное соотношение между ними. Для определения массы или объемного количества твердой фазы необходимо вычислить отношение длины отрезка, примыкающего к составу жидкой фазы, к длине всей коноды; для определения количества жидкой фазы – отношение длины отрезка, примыкающего к составу твердой фазы, к длине коноды.

Например, при температуре t_к, в рассматриваемом сплаве N процентное содержание жидкой и твердой фаз будет таким:

· для жидкой фазы состава m (L_m): Q_Lm ;

· для твердой фазы состава n (α_n): Q_αn .

· относительное количество фаз определяется из соотношения: .