§ 6.2. Особливості кристалізації сплавів

Кристалізація сплавів підкоряється тим же закономірностям, що і кристалізація чистих металів, тобто необхідно,

щоб дотримувалася умова АСкр==Д//-ГА5<0. Істотним розходженням є велика роль дифузійних процесів між рідиною і фазою, що кристалізується, при кристалізації сплавів, що необхідні для перерозподілу різнорідних атомів, рівномірно розподілених у рідкій фазі. Крім цього, у сплавах у твердому стані можуть мати місце процеси перекристалізації, обумовлені не тільки поліморфними перетвореннями компонентів сплаву, але і розпадом твердих розчинів, виділенням з них вторинних фаз, коли розчинність компонентів у твердому стані зі зміною температури змінюється. Ці перетворення називаються фазовими перетвореннями у твердому стані. Вони також супроводжуються дифузійними процесами, що при знижених температурах сильно сповільнюються. Тому досить часті випадки, коли після охолодження сплави виявляються в нерівновагому стані.

При перекристалізації у твердому стані утворяться центри кристалізації і відбувається їхній ріст. Звичайно центри кристалізації виникають по границях зерен старої фази, де ґрати мають найбільш дефектну будівлю і де маються домішки, що можуть стати центрами нових кристалів.

У старої і нової фаз протягом деякого часу маються загальні площини. Такий зв'язок ґрат називається когерентним зв'язком. У випадку розходження будівлі кристалів старої і нової фаз перетворення протікає з утворенням проміжних фаз (правило ступіней). Порушення когерентності і відокремлення кристалів настає, коли вони придбають визначені розміри.

Щоб зрозуміти багато особливостей кристалізації сплавів, необхідно вміти користуватися правилом фаз.

№ 5. Виходячи з правила фаз, установите, у чому повинно бути відмінність у температурах кристалізації двухкомпонентных сплавів від кристалізації чистих речовин, якщо при кристалізації сплаву утвориться одна тверда фаза. Як це довести?

Відповідь: кристалізація сплавів відбувається: 1) при <=;ьсоп&1, тому що при кристалізації число ступенів волі З=/=0, див. с. 184; 2) у таких же температурних умовах, як і чистих речовин, тому що З^ПРО, див. с. 184.

№ 6. Чи можлива кристалізація двухкомпонентного сплаву при постійній температурі? Якщо так, то при яких умовах?

Відповідь: 1) неможлива, див. с. 184; 2) можлива, якщо при кристалізації утворяться дві тверді фази, див. с. 184.

§ 6.3. Діаграми стану подвійних сплавів. Методи їхньої побудови

Матеріал цієї глави є одним з найбільш важких для засвоєння студентами. Це відбувається з тієї причини, що дуже часто студенти намагаються засвоїти матеріал методом механічного завчання графічних побудов, якимись є діаграми стану сплавів. При цьому залишається

неясний механізм фазових перетворень, що відбуваються, при охолодженні або нагріванні сплаву. Тому що маються тисячі діаграм стану, то завчання декількох типів, що приводяться в підручнику, нічого не дає для розуміння діаграм стану реальних сплавів, на основі яких виявляються фази і структури сплавів, що утворяться, що визначають механічні властивості.

Метою вивчення діаграм стану є: 1) навчитися по наявній діаграмі стану думкою представити механізм процесів фазових перетворень при зміні температури сплаву; 2) установлення характеру рівноважних фаз і структури в сплавах при різних температурах; 3) ґрунтуючись на знаннях факторів, що впливають на процеси кристалізації і перекристалізації, навчитися пророкувати, які зміни в будівлі сплавів можуть мати місце при нерівновагих умовах кристалізації й охолодження; 4) навчитися розуміти, чим обумовлені найважливіші механічні і технологічні властивості сплавів у відповідному фазовому і структурному стані.

Тому що наступний курс металознавства найтіснішим образом зв'язаний з діаграмами стану, то успішність його засвоєння в максимальній мері буде залежати від того, як буде засвоєний матеріал цієї глави.

Діаграма стану являє собою графічне зображення залежності температур фазових перетворень у сплавах від їхнього складу.

№ 7. Виходячи їх цього визначення, установите, у яких координатах повинна будуватися діаграма стану двухкомпонентного сплаву.

Відповідь: у координатах: 1) температура-концентрація (склад), див. с. 184 2) температура — час, див. с. 184.

Методику побудови діаграм стану розберемо на прикладі побудови діаграми стану системи Си — №, компоненти якої необмежено розчиняються друг у другу як у рідкому, так і у твердому станах. У першу чергу будуємо систему координат (мал. 6.2,6). На осі ординат відзначається зміна температури, на. осі абсцис — зміна складу сплавів. При цьому лівий і правий кінці цієї осі відповідають чистим компонентам Си і №. Будь-яка крапка між Си і М1 на осі абсцис відбиває сплав визначеного складу (концентрацію сплаву).

Для встановлення температур фазових перетворень (критичних крапок) сплавів необхідно:

1. Приготувати ряд сплавів, наприклад /, //, ///, IV, V, склад яких відзначений на мал. 6.2, б (у даному випадку / і V є компонентами системи Си і №).

2. Розплавити сплави і провести їхнє повільне охолодження, фіксуючи залежність зниження температури від часу охолодження.

Рис. 6.2. Діаграма стану для сплавів Си — № :

а-криві охолодження сплавів 1...У, 6-діаграма стану сплавів Си — № і схеми розташування атомів міді (чорні) і нікелю (білі) у кристалічних ґратах різних сплавів

3. Побудувати криві охолодження кожного сплаву, що представлені на мал. 6.2, а.

Вивчення фазового стану сплавів /, //, ///, IV, V при температурах вище температур крапок /, /', /^//, /^///, 2 показує, що в цих умовах усі сплави знаходяться в рідкому стані. При температурі крапки / (мідь), крапки 2 (нікель) і в інтервалі температур крапок /^/—2'. ..Г"—2'" сплави знаходяться в двухфазном стані — мають місце рідка фаза (Ж) і кристали, що для сплавів позначені а. При температурах нижче температур крапок /. 2', 2", 2'". 2 сплави знаходяться в однофазному кристалічному стані. Очевидно, температури крапок /, 2',... 2'", 2 є температурами кінця кристалізації сплавів даної системи. Температури початку і кінця фазових перетворень є критичні температури.

4. Далі варто перенести отримані критичні температури (крапки) на ординати відповідних сплавів (мал. 6.2,6).

5. З'єднавши крапки, що мають однакову фізичну сутність, одержимо діаграми стану системи мідь — нікель. Крива / /^/ /^// /"' 2, ..., що характеризує температури, вище яких сплави знаходяться в рідкому стані, називається лінією ліквідус. Крива / 2' 2" 2'" 2, що відповідає температурам, нижче яких сплави знаходяться у твердому стані, називається лінією солідус. На мал. 6.2, б показані схеми кристалічних ґрат рассмотреных сплавів /, //, ///, IV, V (чорні кружки — атоми міді, білі — атоми нікелю).

Слід зазначити, що при побудові діаграм стану крім термічного методу часто приходиться використовувати більш тонкі методи досліджень (мікроструктурні, рентгено-

вские, хімічні й ін.). Це особливо необхідно для складних сплавів, що мають різні фазові перетворення у твердому стані (див., наприклад, мал. 12.1, 12.8).

Велике значення при контролі правильності побудованих діаграм стану має правило фаз Гиббса.