2.3. Морфология вторичных кристаллов в двухфазных сплавах
Ограниченная взаимная растворимость одного или обоих компонентов друг в друге в твердом состоянии встречается во многих реальных системах и отражается на их диаграммах состояния. С изменением температуры растворимость компонентов меняется, что приводит к выделению при охлаж-
дении (или растворению – при нагреве) из закристаллизовавшейся ранее фаэы сплава избыточного количества растворенного в ней компонента. Наиболее часто при понижении температуры взаимная растворимость компонентов сплавов понижается, и из закристаллизовавшихся ранее первичных фаз при охлаждении ниже кривых ограниченной растворимости (линий сольвус) выделяются кристаллы избыточных фаз. Они называются вторичными фазами, в отличие от первичных фаз, выделяющихся из жидкого расплава. Кристаллы вторичных фаз могут представлять собой в зависимости от системы: чистый компонент, твердый раствор, химическое соединение.
Например, в сплавах системы Pb-Sb (рис.3) из первичной α-фазы, богатой свинцом, выделяются кристаллы βII, богатые избыточной для α-фазы сурьмой, а из β-фазы, богатой сурьмой - αII, богатые свинцом.
Образование зародышей вторичных кристаллов обычно происходит на дефектах частиц фаз закристаллизовавшегося сплава: границах зерен, субзерен, дислокациях, включениях, примесях, порах, трещинах – там, где наиболее легко могут создаваться скопления атомов избыточного компонента и облегчена их диффузия. Если сплав химически неоднороден (в нем присутствует дендритная ликвация), то зарождение вторичных кристаллов еще более облегчается в участках, обогащенных избыточным компонентом. Как и в случае образования первичных кристаллов, условия охлаждения оказывают огромное влияние на форму и расположение частиц βII или αII фаз (см. рис.8).
При медленном охлаждении немногочисленные зародыши образуются в наиболее благоприятных местах, где более всего повышен запас поверхностной энергии и облегчены процессы диффузии– на границах зерен. Поскольку атомы избыточного компонента, необходимые для роста, успевают продиффундировать из центральных участков зерен к их границам, вторичные кристаллы получаются крупными и равноосными (рис.8,а). При ускоренном
Рис.8. Влияние скорости охлаждения на морфологию
частиц вторичной фазы βII
охлаждении на границах зерен возникает больше зародышей вторичных кристаллов, что приводит к образованию оболочек вокруг зерен (рис.8, б). При дальнейшем увеличении скорости охлаждения атомы избыточного компонента не успевают продиффундировать к границам из центральных участков, где поэтому создается пересыщение и возможность образования зародышей на дефектах и внутри зерен (рис.8, в). Еще большее увеличение скорости охлаждения приводит к образованию еще большего количества числа зародышей вторичной фазы по границам зерен, но растут далеко не все из них, а только те, что благоприятно ориентированы по отношению к кристаллической решетке матричной фазы. При этом вторичные кристаллы приобретают игольчатую форму, образование которой облегчено в условиях малой скорости диффузии атомов (рис.8, г). При очень быстром охлаждении, превышающем критическую скорость закалки сплава, выделение вторичных кристаллов не происходит, и твердый раствор остается пересыщенным избыточным компонентом – закаленным.
Свойства избыточной фазы, форма ее частиц и место выделения оказывают существенное влияние на свойства сплава. Если избыточная фаза – твердая и хрупкая промежуточная фаза (химическое соединение), то выделение ее в виде сплошной сетки по границам зерен, а также в виде игл резко ухудшает вязкость и пластичность всего сплава. Равномерное распределение избыточной фазы в основной фазе в виде мелких частиц повышает прочность сплава, пластичность и вязкость сплава уменьшается, но не сильно (см. рис. 11-14 [3].
Все двухфазные сплавы, кривые охлаждения которых подобны представленной на рис.8, имеют в своей структуре в качестве основы первичную фазу и некоторое количество кристаллов вторичной фазы. Химические составы этих сплавов лежат между точками минимальной и максимальной растворимости компонентов линий сольвус.
Для определения состава и количества фаз (структурных составляющих) таких сплавов по правилам концентраций и отрезков соответственно коноду проводят до линий предельной растворимости (линий сольвус) в двухфазной области α + β диаграммы состояния, показывающих составы твердых фаз при каждой температуре.