2. Краткие теоретические сведения
В сплавах при охлаждении из жидкого состояния до комнатной температуры при кристаллизации и после ее окончания протекают различные фазовые превращения: выделяются одни фазы и исчезают другие, в результате чего формируется их внутреннее строение – микроструктура.
Фазой называется однородная по химическому составу и кристаллическому строению часть системы, отделенная от других поверхностью раздела при переходе через которую скачкообразно меняются химический состав, кристаллическое строение (тип решетки), свойства, а иногда – и агрегатное состояние.
Фазой может быть компонент системы, жидкий раствор, твердый раствор, химическое соединение.
Фазы в твердом состоянии могут иметь разнообразную форму, размеры, т.е. различную морфологию, взаимное расположение.
Структурные составляющие сплава - это обособленные микрообъемы его микроструктуры, имеющие единообразное строение во всех частях изучаемого объекта, с присущими им характерными особенностями и образовавшиеся в определенных условиях.
Составляющие микроструктуры могут быть однофазными - состоять из кристаллов чистых металлов, твердых растворов, химических соединений или многофазными – представлять собой эвтектики, эвтектоиды, механические смеси кристаллов постоянного или переменного состава и др.
Структурных составляющих микроструктуры может быть одна или несколько. Образование той или иной структурной составляющей зависит как от состава, так и от предыстории (режимов обработки, условий эксплуатации) материала.
Микроструктура сплава оказывает решающее влияние на многие его свойства, например, на механические свойства, называемые поэтому структурночувствительными или структурнозависимыми.
Характер взаимодействия компонентов сплава определяет соответствую-
щий тип диаграммы состояния (фазового равновесия). Диаграмма состояния не дает детального представления о микроструктуре сплава, т.к. характеризу-
ет лишь равновесие фаз при различных температурах, но по ней можно качественно оценить формирующуюся структуру сплава.
На формирование микроструктуры решающее значение оказывают кинетика фазового превращения, определяемая скоростью диффузии атомов компонентов и скоростью охлаждения сплава; механизм фазового превращения, определяемый строением и свойствами поверхностей раздела между твердыми и жидкими фазами; чистота расплава (степень загрязнения его примесями).
2.1. Морфология кристаллов в чистых металлах и однофазных сплавах
При очень медленном охлаждении структура чистых металлов или однофазных сплавов представляет собой равноосные зерна – полиэдры. На рис.1 в качестве примера представлена диаграмма состояния системы Cu - Ni с неограниченной растворимостью компонентов друг в друге, все сплавы которой имеют одинаковую однофазную структуру.
Рис.1. Схема формирования структуры сплавов системы медь-никель: а - кривые охлаждения Сu- I, Ni- V, сплавов II, III, IV; б-диаграмма состояния сплавов системы Сu- Ni и схема расположения атомов Сu (черные) и Ni (белые) в решетках сплавов
В сплавах II, III, IV состав частиц кристаллизующейся α- фазы (твердого раствора замещения Cu и Ni друг в друге) согласно диаграмме состояния Cu - Ni меняется по линии солидус, но кристаллы α-фазы - однородны, т.к. в данных условиях при кристаллизации успевает пройти выравнивающая концентрацию компонентов (Cu и Ni) диффузия. Выделяющиеся кристаллы растут за счет послойного присоединения атомов из жидкого раствора к растущим граням, поэтому чем шире интервал кристаллизации сплава, тем более крупными успевают вырасти кристаллы.
Ускоренное (неравновесное) охлаждение, что характерно для протекания процесса кристаллизации в реальных условиях, и наличие примесей в жидком растворе в корне изменяют кинетику кристаллизации и форму образующихся кристаллов. Во – первых, благодаря большей степени переохлаждения ∆Т возникает большее число зародышей кристаллизации, т.е. создаются более мелкие кристаллы. Во – вторых, наличие конвективных потоков и примесей в жидком растворе способствует образованию дендритной (древовидной) формы кристаллов.
Пусть в капле жидкого раствора любого из сплавов на рис.1 возник один зародыш в виде октаэдра. При медленном охлаждении в свободном от примесей жидком растворе такой зародыш разрастался бы равномерно во все стороны (рис.2,а). В условиях же ускоренного охлаждения конвективные потоки жидкости наиболее интенсивно омывают вершины ребер октаэдра по сравнению с его гранями, где, поэтому, и осуществляется наиболее интенсивное присоединение атомов из жидкого раствора к зародышу кристаллизации. В результате этого растущий кубик отбрасывает шесть отростков в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Отростки кристалла, внедряясь в жидкость, соприкасаются с переохлажденным расплавом и растут быстрее граней, превращаясь в стволы дендрита - ветви I порядка (рис.2,б). Благодаря наличию на ветвях дендритов поверхностных дефектов образуются периодически расположенные выступы, дающие начало образованию новых отростков – ветвей II порядка, перпендикулярных ветвям первого порядка. Таким образом, дендрит разрастается в виде решетки ветвей. Чем больше степень переохлаждения расплава ∆Т, тем более разветвленными образуются дендриты ( рис.2, в).
Примеси также способствуют образованию дендритной формы кристаллов. Поскольку растворимость некоторых примесей в жидком растворе больше, чем в кристалле (твердой фазе), растущий отросток толкает их перед собой (''дрейф примесей''), благодаря чему примеси скапливаются в расплаве у вогнутых участков кристалла – граней, тормозя этим их рост.
При ускоренном охлаждении процесс диффузии, необходимый для выравнивания химического состава осей и межосных пространств дендритов,
кристаллизующихся последовательно друг за другом, отстает от процесса кри-
сталлизации. В этих условиях центральные части дендритов обогащаются бо-лее тугоплавким компонентом сплава, а межосные пространства -более легко-
плавким. Примеси распределяются в растущем кристалле также неравно-
мерно: одни, являясь подложкой - готовыми центрами кристаллизации, размещаются внутри кристалла, другие, малорастворимые в твердой фазе, накапливаются на границах зерен, в межосных пространствах.
Неоднородность в распределении компонентов и примесей, развиваю-
щаяся по объему дендрита, называется внутридендритной ликвацией. Она хорошо выявляется при микроструктурном исследовании сплавов вследствие различной травимости осей дендритов и межосных пространств.
Кристаллизация сплавов начинается у поверхности отливки из жидкого раствора исходного химического состава, соответствующего химическому составу сплава (например, кристаллизация сплава II - рис.1 начинается при температуре точки 1΄ из жидкого раствора, содержащего 25 % Ni, и закан-
чивается в центре отливки из жидкого раствора конечного химического состава в соответствии с диаграммой состояния (кристаллизация сплава II
заканчивается при температуре точки 2΄ из жидкого раствора, содержащего ~ 5 % Ni - рис.1). Неоднородность в распределении компонентов и примесей,
развивающаяся по объему отливки, называется междендритной ликвацией.
Чем больше температурный интервал кристаллизации сплава, тем более разветвленными образуются в нем дендриты и тем сильнее выражена в нем дендритная ликвация. Такие сплавы обладают плохими жидкотекучестью, заполняемостью формы и другими литейными свойствами.
Для определения состава и количества фаз, в том числе и при кристаллизации, применяются правила концентраций и отрезков соответственно. При этом в двухфазной области ж + α через точку, соответствующую характеристической (интересующей) температуре проводят коноду до линий ликвидус и солидус, показывающих составы жидкой и твердой фаз соответственно при этой температуре. Например, в сплаве III (рис.1), содержащем 65 % Ni, при температуре ta ≈13000C согласно правилу концентраций присутствуют жидкий раствор состава точки 1а (45% Ni) и кристаллы твердой α - фазы состава точки 2′′′ (75 % Ni). Количество фаз согласно правилу отрезков равно:
Qж = а2′′′ : 1а 2′′′×100% =33%, Qα = 1а а : 1а 2′′′ ×100% = 67 %.
По окончании кристаллизации однофазных сплавов состав твердой α фазы соответствует химическому составу сплава и при дальнейшем охлаждении до комнатной температуры не изменяется.