2.2. Микроструктура двухкомпонентных сплавов с эвтектическим превращением

Все сплавы, химические составы которых лежат между точками с и d (рис.1), кроме эвтектического, будут иметь в своей структуре первичную фазу и эвтектику. Сплавы с химическим составом от точки с до точки е называются доэвтектическими и имеют структуру: первичные кристаллы

α_I + эвтектика (α_c + β_d), а сплавы с химическим составом от точки е до точки d называются заэвтектическими и имеют структуру: первичные кристаллы

β_I +эвтектика (α_c + β_d). Чем ближе химические составы до- и заэвтектических сплавов к эвтектическому, тем больше эвтектики в их структуре и, соответственно, меньше первичной фазы. Количество фаз и структурных составляющих в сплавах с известным химическим составом определяются из диаграмм состояния по правилу рычага. При этом одна крайняя точка коноды показывает состав первичной фазы, а другая – состав эвтектики.

Наоборот, химический состав сплава можно оценить по его наблюдае-мой структуре. Одним из методов количественного металлографического анализа определяют долю площади, занимаемую каждой структурной составляющей, и тем самым её объемное содержание. Если допустимо считать плотности всех структурных составляющих одинаковыми, то состав сплава может быть рассчитан по правилу отрезков. Если плотности структурных составляющих сильно отличаются, состав сплава рассчитывается по формулам, учитывающим значения этих плотностей.

На рис.2 в качестве примера приведена диаграмма состояния эвтекти-ческого типа Pb – Sb, а на рис.3 – микроструктуры сплавов этой системы.

В системе Pb - Sb компоненты ограниченно раствори­мы в твердом сос-тоянии. Твердыми фазами в сплавах этой систе­мы являются кристаллы твер-дого раствора α (на основе Pb) и твер­дого раствора β (на основе Sb). Эвтекти- ческий сплав с 11 % Sb (и 89 % Pb) имеет одну критическую точку (243 °С); в нем жидкая фаза кристаллизуется с одновременным образованием кристал-лов α и β. Микроструктура этого сплава, состоящая из 100 % эвтектики (α₃ + β₉₇) приведена на рис.3,а. Микроструктура доэвтектических сплавов характе- теризуется первичными кристаллами (дендритами) α – темного цвета и эвтектикой (α₃ +β₉₇) – рис.3,б. В структуре заэвтектических сплавов присутст-вуют ярко - белые ограненные первичные кристаллы β и звтектика – рис. 3, в. Во всех трех сплавах эвтектика одинакова по строению.

Рис.2. Диаграмма фазового равновесия системы Pb-Sb

2.3. Механизмы эвтектического превращения и морфология различных видов эвтектики в двухкомпонентных сплавах

Эвтектический сплав при охлаждении от температуры разливки до температуры t_e сохраняет жидкое состояние. Ранее уже отмечалось, что при эвтектической температуре в системе устанавливается трехфазное устойчи-вое термодинамическое равновесие жидкого раствора (ж_е) и твердых раство-ров α_c и β_d. Поэтому для зарождения и роста кристаллических α и β фаз необ-ходимо переохлаждение расплава Δ Т_i , когда появляется термодинамичес-кий стимул к эвтектическому превращению (1).

Сущность эвтектической кристаллизации состоит в диффузионном пе-рераспределении компонентов в жидком растворе за счет направленной диффузии атомов или групп атомов разных веществ к соответствующим центрам кристаллизации и образованием на них двух твердых фаз эвтектики различного состава и природы.

Согласно экспериментальным исследованиям и теории кристаллизации спла­вов эвтектического типа, разработанной А.А. Бочваром, в жидком раство- ре эвтектического состава обычно первым зарождается кристалл фазы с бо-лее высокой температурой плавления (на основе более тугоплавкого компонента) или кристалл промежуточной фазы, более сложный в кристаллохимическом отношении (карбид, борид, интерметаллид и т.п.), назы-ваемой ведущей или базовой фазой эвтектики. Она имеет обычно химический состав, довольно сильно отличающийся от эвтектического, и относительно высокое поверхностное натяжение на границе с расплавом. Зародыш второй эвтектической фазы, называемой ведомой, располагается либо на частице базовой фазы как на подлож­ке, либо растет самостоятельно.

а

б в

Рис.3. Микроструктуры сплавов системы Pb-Sb (% масс.):

а -11 % Sb; б -5 % Sb; в - 25 % Sb, остальное – Pb, ×100

В 1929 г. А.А. Бочвар впервые ввел представление об эвтектической колонии как об элементе эвтектической структуры. В эвтектике двухкомпо-нентной системы эвтектическая колония – это образование из одного заро-дыша одной фазы эвтектики и одного зародыша другой фазы эвтектики, ко-торые растут совместно из одного центра кристаллизации в жидком растворе при их определенном кристаллоориентационном соответствии. Таким обра-зом, колония представляет собой двухфазный бикристалл, являющийся элементарным образованием, «зерном» эвтектической структуры. Скорость роста эвтектической колонии и размер эвтектической колонии зависят от скорости охлаждения расплава. Обе эти величины постоянны при данном значении степени переохлаждения расплава Δ Т_i .

При повышении скорости охлаждения расплава форма колоний эвтекти-

ки изменяется от двухфазных полиэдров к дендритам и далее к сферолитам. При этом усиливается разветвление кристаллов обеих фаз эвтектики. Причем степень разветвления каждого из кристаллов при эвтектической кристаллизации выше, чем при обособленном росте их в подобных условиях.

Эвтектические колонии под микроскопом или на фотографиях микроструктур в одних видах эвтектики легко различимы, каждая из них просматривается отдельно; в других – закономерность в расположении коло-ний в эвтектике визуально установить не удается; в третьих - колонии в эвтектике вообще отсутствуют.

Конечная структура эвтектического сплава – вид эвтектики, под которым понимается форма и размеры обеих фаз эвтектики и порядок расположения их друг относительно друга (морфология) зависит от большого количества факторов: скорости охлаждения, кинетики фазового превращения, определяемой скоростью диффузии атомов компонентов, наличия в жидком растворе инородных примесных атомов, природой фаз эвтектики, механизмом фазового превращения, определяемым строением и свойствами поверхностей раздела между твердыми и жидкой фазами.

Структуру эвтектики можно предсказать путем анализа величины энтропии плавления фаз, её образующих.

В одной и той же системе могут реализоваться различные механизмы эвтектического превращения и возникнуть эвтектики различного типа в зависимости, главным образом, от условий охлаждения и от различия (сходства) пространственных решеток соприкасающихся твердых фаз.

Классификацию эвтектик в разное время предлагали различные исследователи, например, в 1929 г. - А.А. Бочвар, в 1946 г. – Шайль, который вложил в свою классификацию соответствие между морфологией и механизмом образования эвтектики.

По механизму образования эвтектики условно подразделяют на следующие основные виды: