2.3.2. Нормальная эвтектика

При увеличении ΔТ_i (среднем переохлаждении), что соответствует реальной скорости охлаждения эвтектического расплава системы А - Б ход кристаллизации эвтектики меняется. После того, как в жидкости зарождают-ся и начинают расти кристаллы ведущей α- фазы эвтектики, на их поверхнос- ти зарождаются кристаллы ведомой β - фазы эвтектики. Этому способствует обогащенность близлежащего жидкого раствора компонен­том Б.

С момента появления двух соприкасающихся α и β кристаллов возникает эвтектическая колония, и начи­нается совместное сопряженное врастание её фаз в эвтектический расплав (рис.6).

Рис. 6. Диффузионные потоки при формировании эвтектиче­ской колонии

При этом образуется общий фронт кристаллизации – граница раздела между кристаллами эвтектических фаз и контактирующей с ними жидкостью. В расплаве вблизи участков α- фазы жидкость обогащается компонен­том Б, а вблизи β - фазы - компонентом А. Диффузионное перераспределение компонен­тов в жидкости вдоль фронта двухфазной кристаллизации поддерживает способность к продолжению роста частиц α и β фаз без образования новых зародышей этих фаз перед фронтом кристаллизации. При этом эвтектическая колония растет в направлении, перпендикулярном к плоскому (в макроскопическом смысле) фронту кристаллизации, называемым поперечным (торцевым) ростом.

Сопря­женный рост фаз эвтектики требует взаимного подстраивания кристаллов этих фаз на каждом участке фронта кристаллизации, что достигается ветвле­нием кристаллов и их взаимным огибанием друг друга. Таким образом, рост эвтектической колонии осуществляется и за счет продольного (бокового) её роста путем ветвления и прорастания одной в другую частиц обеих фаз эвтектики. При боковом росте также может осуществляться многократное поперечное зарождение новых зародышей обеих фаз эвтектики, т.е. размножение эвтектических колоний.

Эвтектика, характеризующаяся образованием колоний в виде бикрис-таллов, сопряженным ростом и общим фронтом кристаллизации обеих фаз, называется нормальной эвтектикой.

По окончании кристаллизации нормальная эвтектика состоит из эвтектических колоний, каждая из которых представляет собой два разветвленных, взаимопронизывающих кристалла эвтектических фаз, что объясняет кажущуюся мелкозернистость эвтектики в сечении микрошлифа под микроскопом. Нормальная эвтектика характеризуется регулярным чередованием обеих её фаз.

Важнейшими структурными характеристиками эвтектики, определяю-щими её свойства и свойства сплава в целом, являются:

1. величина (размер) эвтектической колонии, под которым понимают среднюю суммарную толщину l двух соседних частиц обеих фаз эвтектики или среднее расстояние между соседними частицами одной (любой) фазы эвтектики (рис.6);

2. форма эвтектических колоний, которая определяется формой кристалла ведущей фазы, первой образующейся в жидком расплаве, и условиями охлаждения при кристаллизации.

Для фаз, ра­стущих в виде ограненных кристаллов, ветвление и огибание зат­руднено. Поэтому нормальные эвтектики чаще всего, образованы фазами, кристаллы которых имеют округлую форму, т.е. для каждой эвтектической фазы энтропия плав­ления меньше 17 Дж^.моль^-1.К^-1. В таких эвтектиках практически при любых условиях кристаллизации реализуется сопряженный рост фаз.

Примеры нормальной эвтектики:

1. Структура эвтектики в системе Al – Cu, представленная на рис.7, со-

стоит из двух фаз: темных пластин химического соединения переменного состава CuAl₂ (так называемой θ-фазы) – ведущей фазы эвтектики и α – твер-

дого раствора меди в алюминии. Схема последовательного образования этой

Рис.7. Микроструктура эвтектического Рис.8. Схема последовательного образова-

сплава системы Al – Cu: CuAl₂ - темные ния нормальной эвтектики CuAl₂ – α в сис-

пластины, α – твердый раствор- светлые теме Al – Cu

пластины, × 100

эвтектики приведена на рис.8, а, б, в. При кристаллизации частицы ведущей θ -фазы жидкий раствор обедняется медью и обогащается алюминием. На по-верхности этой частицы кристаллизуется зародыш ведомой α –фазы. Эти час-тицы вследствие определенного ориентационного соотношения между ними рассматриваются как ветви одного дендрита (рис.8, а). Сквозь эти ветви про-растают частицы θ - фазы (рис.8, б), но их слиянию препятствует рост частиц α – фазы (рис.8, в). В результате получается колония из двух кристаллов α – и θ - фаз, пронизывающих своими ветвями друг друга. При подобном механиз-ме роста кристаллов этой эвтектики в любом сечении эвтектических колоний на шлифе видны чередующиеся частицы (пластины) обеих фаз эвтектики.

Подобное строение имеет нормальная эвтектика в сплавах системы Pb- Sn, эвтектика в трехкомпонентной системе Ni – Al – Fe [3] и др.

2. При реальной скорости охлаждения (на воздухе) расплава эвтектичес-кого белого чугуна (система Fe – Fe₃C) эвтектическое превращение жидкости создает структуру нормальной эвтектики, называемую ледебуритом, и состоящую после окончания кристаллизации из колоний химического соединения Fe₃C (цементита) - ведущая ярко - белая фаза и твердого раствора внедрения углерода в Fe_γ (аустенита) - рис.9, а также Атлас [3].

На рис.10 приведена схема эволюции образования этой эвтектики. Пер-

воначально в жидком растворе эвтектического состава зарождаются пластины химического соединения Fe₃C (цементита), что приводит к обеднению жидкости углеродом и сильному пересыщению её железом. Благодаря этому создаются благоприятные условия для зарождения на пластинах ведущей фазы частиц ведомой фазы - аустенита, который может образовывать как сплошную пластину (рис.10, - 1), так и одиночные кристаллы. Появление и рост кристаллов аустенита облегчает дальнейшую кристаллизацию цементита

(рис.10,-2). Создаётся фронт кристаллизации, соответствующий верхней горизонтальной поверхности эвтектической колонии. Непрерывное выделение

Рис. 9. Структура эвтектического белого чугуна: а – сотовая эвтектика, × 500;

б – «стерженьковая» эвтектика, × 200.

Рис.10. Схема формирования нормальной «сотовой» эвтектики

фаз эвтектики сохраняет в жидкости химическую неоднородность. Всё это, вместе взятое, придаёт эвтектическому превращению характер стационарного процесса и приводит к созданию геометрически правильных колоний эвтектики сотового строения (рис.10, 3…6), в которых обе фазы непрерывно разветвлены друг в друге.

В зависимости от того, как колонии эвтектики рассекаются плоскостью шлифа, они выглядят под микроскопом по-разному. Если ветви дендритов аустенита секутся перпендикулярной их росту поверхностью, то в сечении видны их овальные или округлые проекции, статистически равномерно распределенные в цементите. Структура напоминает соты, отсюда произошло название ''сотовая'' эвтектика (рис.9, а). При сечении ветвей дендритов аустенита параллельной их росту поверхностью под микроскопом видны оси дендритов (стерженьки ветвей). Такая эвтектика получила название ''стерженьковая'' (рис.9, б).

По такому же механизму формируется нормальная эвтектика в сплавах системы Sb – Cu и других системах.