3.3. Структура сплавов

        Строение металлических сплавов зависит от того, в какие взаимодействия вступают компоненты, их образующие. Под структурой, как уже указано ранее, понимают форму, размеры и характер взаимного расположения фаз в сплаве. Структура сплава выявляется микроанализом (рис. 19).         При полной взаимной растворимости компонентов в твердом состоянии микроструктура всех сплавов представляет собой зерна твердого раствора. При ограниченной растворимости, которая характерна для многих сплавов, структура состоит из смеси двух фаз. Если в сплаве растворимый компонент присутствует в количестве, превышающем предельную растворимость его в основном металле при данной температуре, то образуется структура, состоящая из матрицы и выделившихся частиц другого твердого раствора, чаще на базе химического соединения. Такую структуру называют матричной, или гетерогенной.         При медленном охлаждении эти фазы выделяются в основном по границам твердого раствора (матрицы) в виде достаточно крупных и нередко равноосных частиц.         Форма выделения избыточных фаз может быть пластинчатой, игольчатой или сфероидальной. Структура сплавов, их фазовый состав, а следовательно, и свойства зависят от состава сплава и той обработки, которую он прошел. Ниже будут рассмотрены формирование различных структур сплавов и влияние структуры (фазового состава) на свойства сплавов.         При так называемой перетектической кристаллизации образуется смесь из двух фаз, в которой фаза, образующая первоначально, окружена фазой, кристаллизующей позднее. В сплавах нередко образуется структурная составляющая, получившая название эвтектика. Эвтектика состоит из двух и более фаз, имеющих форму пластинок, равномерно чередующихся между собой, которые образуют колонии.

3. Фазы и структура в металлических сплавах Вопросы для самопроверки

1. Что такое твердый раствор? Какие виды твердых растворов Вы знаете?

2. Какие условия полной взаимной растворимости двух компонентов?

3. Какие Вы знаете интерметаллические (металлические ) соединения?

4. Что такое матричная структура?

Вопросы для самопроверки

5. Что такое твердый раствор? Какие виды твердых растворов Вы знаете?

6. Какие условия полной взаимной растворимости двух компонентов?

7. Какие Вы знаете интерметаллические (металлические ) соединения?

8. Что такое матричная структура?

Вариант 2 ( о процессе кристаллизации).

При переходе из жидкого состояния в твердое образуются кристаллы; этот процесс называют кристаллизацией. Процесс кристаллизации начинается с зарождения мельчайших кристал­лов, называемых зародышами, или центрами кристаллизации. Упорядоченность расположения атомов в жидком металле при температурах, близких к температуре кристаллизации, и нали­чие наружных поверхностей и поверхностей раздела, образо­ванных примесями, облегчает образование зародышей кри­сталлов.

Процесс кристаллизации состоит из двух одновременно про­текающих процессов: 1) зарождения в жидком металле центров

кристаллизации (образование зародышей) и 2) роста кристал­лов из этих центров.

Образование центров кристаллизации и их рост можно ви­деть на следующей схеме (рис. 4.7). Предположим, что в жид­ком металле в течение 1 с возникает пять зародышей кристал­лов, которые растут с определенной скоростью. К концу второй секунды эти зародыши выросли до некоторых размеров и воз­никли еще пять новых зародышей кристаллов. Этот процесс кристаллизации продолжается до тех пор, пока не исчерпается вся жидкая фаза металла (см. рис. 4.7). Пока зародыши растут свободно, они имеют геометрически правильную форму и отли-

Рис. 4.8. Кривые охлаждения чистого металла при кристаллизации (а, 6) и кривые изменения числа центров (ч. ц) кристаллизации и скорости роста кристаллов (с. к) (в) в зависимости от степени переохлаждении

чаются друг от друга размерами и различной ориентировкой. Когда растущие кристаллы соприкасаются, их правильная форма нарушается. В результате полученные кристаллы ме­талла при правильном внутреннем строении имеют различную внешнюю форму, зависящую от условий кристаллизации.

Процесс кристаллизации жидкого металла графически изо­бражен на рис. 4.8. Охлаждение жидкого металла происходит по линии оа (рис. 4.8, а). При температуре кристаллизации ме­талла t_s образуется горизонтальный участок аб, который про­должается от τ₁ до τ₂ (пока весь жидкий металл не закристал­лизуется). При зарождении и росте кристаллов выделяется скрытая теплота кристаллизации, благодаря чему температура сохраняется постоянной. После затвердевания металла процесс его охлаждения на диаграмме отмечен линией бв.

Температуру, при которой происходит какое-либо превращение в металле (например, переход из жидкого состояния в твердое), называют критической температурой, а точки, обо­значающие начало и конец этого превращения (а и б), назы­вают критическими точками.

В реальных условиях в процессе кристаллизации жидкий металл обычно переохлаждается, т. е. металл остается жидким

ниже теоретической температуры затвердевания t_s, (точка а’ рис. 4.8, б) и процесс кристаллизации начинается при темпера­туре переохлаждения t_п. Разность t_s,— t_п называют степенью переохлаждения Δt ..

Некоторые металлы имеют большую степень переохлажде­ния (для сурьмы Δt ==41 °С), и при температуре переохлажде­ния t_п процесс кристаллизации начинается бурно, в результате чего температура металла скачкообразно повышается почти до t_s. Затем процесс кристаллизации протекает при постоянной температуре (по линии гд), а процесс охлаждения затвердев­шего металла по кривой де.

Основными параметрами процесса кристаллизации явля­ются скорость зарождения центров кристадлизации (число центров — ч. ц.) и скорость роста кристаллов (скорость кристал­лизации—с. к.). Установлено, что ч. ц. и с. к. определяются степенью переохлаждения (рис. 4.8, в).

Увеличение скорости кристаллизации и числа центров при малых степенях переохлаждения обусловлено тем, что вблизи точки t_s подвижность жидкости велика и ускорение кристалли­зации вызывается увеличением разности свободных энергий жидкого и кристаллического состояний. Наоборот, снижение скорости кристаллизации и числа центров при больших степенях переохлаждения вызвано тем, что подвижность атомов неболь­шая, следовательно, уменьшена и способность системы к пре­вращению, так как разность свободных энергий жидкого и кри­сталлического состояний мала.

Размер образовавшихся кристаллов зависит от соотношения скорости кристаллизации и числа центров. При большом зна­чении скорости кристаллизации и малом числе центров (на­пример, при Δt₁, рис. 4.8, в) образуются немногочисленные крупные кристаллы. При малом значении скорости кристалли­зации и большом числе центров (при Δt₂, рис. 4.8, в) образу­ется большое число мелких кристаллов.

У некоторых металлов превращения происходят и в твердом состоянии. При таком превращении атомы в кристаллической решетке из одного вида элементарной ячейки перестраиваются в другой. Это явление называют полиморфизмом, или аллотро­пией, а процесс — полиморфным, или аллотропическим превра­щением.

.Различные кристаллические формы одного элемента называют полиморфными, или аллотропическими модификациями. Их обозначают греческими буквами α, β, γ и δ, начиная с той формы, которая существует при более низкой температуре.

Превращение одной модификации в другую при охлаждении сопровождается выделением тепла, а при нагреве—поглоще­нием тепла и протекает при постоянной температуре. На кри­вой охлаждения чистого железа при температурах, отвечающих полиморфным превращениям, можно видеть горизонтальные площадки (рис. 4.9). Полиморфные превращения металлов представляют собой процесс вторичной кристаллизации, или перекристаллизации. Последняя осуществляется аналогично кристаллизации из жидкого состояния.

При охлаждении жидкого железа кристаллизация происхо­дит при 1539°С с образованием о. ц. к. решетки. Высокотемпе­ратурную модификацию железа обозначают Fe_α (иногда Fе_δ). Этот переход совершается без переохлаждения, так как для большинства чистых металлов степень переохлаждения незначительна.

Рис. 4.9. Кривая охлаждения чистого железа

Дальнейшее охлаждение до 1392°С характеризуется понижением температуры без каких-либо изменений кри­сталлической решетки.

При 1392 °С на кривой охлажде­ния появляется площадка, свидетельствующая о вторич­ной кристаллизации или поли­морфном (аллотропическом) превращении Fe_α → Fe_γ. При этом образуется новая модификация железа, имеющая г. ц. к. решетку. Понижение темпе­ратуры до 911°С вызывает новое аллотропическое превраще­ние Fe_γ → Fe_α с образованием новой о. ц. к. решетки. Дальней­шее понижение температуры с 911 °С до комнатной не изме­няет тип элементарной кристаллической ячейки. Однако при 768 °С происходит остановка на кривой охлаждения, связан­ная с изменением магнитных свойств железа. Выше 768°С Fe_α немагнитно (иногда его обозначают Fе_β), а ниже 768 °С железо ферромагнитно.

Следует отметить, что превращения Fe_γ → Fe_α сопровожда­ются не только перестройкой кристаллической решётки, но и изменением координационного числа К8 ↔ К12 и параметра кри­сталлической, решетки, что приводит к уменьшению компактно­сти элементарной ячейки. Последнее обусловливает изменение изменение физико-химических свойств металла.

Полиморфное (аллотропическое) превращение, кроме же­леза, имеют также олово, кобальт, марганец, теллур, титан, цирконий, уран и др.