Физико-химические процессы при пайке - Петрунин И.Е.
Скачать (прямая ссылка):
ж
/ 1
14* А
1 1
- _ 1 -1-1- ^ • 1 ! k—f—f-\
те 1 ) 1 1 1 1 1 .. 1 1 1 I I 1 1 1 .... I. .i i
р' pH р М р р! pH р Ш 8
mb ~mS mi о м ж
Рис 95 Схематичная диаграмма состоя ния металлов, образующих непрерывный ряд твердых растворов
ратуре пайки tn состав жидкой составляющей зоны сплавления отвечает равновесному ликвидусу (точке /), а граница основной металл — зона сплавления — солидусу диаграммы состояния (точка 5), то при кристаллизации в результате снижения температуры состав жидкой фазы будет изменяться по линии ликвидуса, а состав выделяющейся твердой фазы по линии солидуса.
Таким образом, в процессе охлаждения происходят изменения состава и количества жидкой и твердой фаз в зоне сплавления. При температуре t\<tn составу жидкой и твердой фаз будут отвечать соответственно точки k и т. Если при охлаждении в точке I выпадет кристалл, по составу отвечающий Сгв', то при температуре t\ выпадают кристаллы, отвечающие составу СТВ", при темпе-
* Рассматривается взаимодействие чистых металлов
268
ратуре 4 — составу Ств'" и так до точки О, соотйетству-гощей полному затвердеванию. При этом концентрация твердого раствора непрерывно приближается к концентрации исходного жидкого сплава, соответствующей С0. Состав же жидкой фазы при кристаллизации изменяется от Со до Сж'", проходя все промежуточные состояния между ними. При конечной температуре t3 сплав затвердевает в однородный твердый раствор того же состава С0, что и исходный жидкий раствор. Таким образом, при равновесной кристаллизации снижение температуры расплава вызывает непрерывное изменение составов жидкого и твердого растворов в зоне сплавления шва. Из жидкой фазы постоянно выделяется твердый раствор, изменяя ее состав, а выделившийся ранее при более высокой температуре твердый раствор изменяет свой состав, взаимодействуя с жидкой фазой. Эти процессы взаимосвязаны и протекают при активной диффузии в жидкой и твердой фазах. При постоянной температуре состав жидкой и твердой фаз неизменен и перераспределения компонентов между ними не происходит.
Равновесный процесс кристаллизации возможен, если между твердой и жидкой фазами имеется динамическое равновесие и в процессе затвердевания происходит диффузионное выравнивание концентрации твердой и жидкой фаз.
Неравновесная кристаллизация. В действительности процесс кристаллизации при пайке далек от этой идеальной схемы, что связано с направленным теплоотводом, незначительным количеством жидкой фазы в шве, активным взаимодействием по границе фаз и большой скоростью охлаждения. В результате в шве не достигается равномерное распределение компонентов. Направленный теплоотвод в сторону основного металла приводит к тому, что образующаяся при кристаллизации твердая фаза отлагается на поверхность основного металла и изолируется от взаимодействия с жидкой фазой. Поэтому диффузионного выравнивания ее состава практически не происходит. Таким образом, фронты кристаллизации в шве распространяются встречно в направлении от основного металла к центральной части зоны сплавления, т. е. имеет место двусторонняя направленная кристаллизация. При этом происходит наращивание на основном металле твердого раствора переменной концентрации с постепен-
269
ным уменьшением содержания в нем основного металла. Поскольку диффузионное выравнивание состава при неравновесной кристаллизации не достигается, то в жидкой фазе у фронта кристаллизации постепенно увеличивается содержание припоя и уменьшается содержание основного металла. Это вызывает слоистое распределение компонентов в шве, параллельное поверхности основного металла, а в случае образования при пайке ограниченных твердых растворов еще и оттеснение легкоплавкой и малопрочной фазы к центральной части шва (рис. 96).
Рис. 96. Микроструктура соединения при контактно-реакционной пайке армко-железа титаном.
Температура панки 1085° С, выдержка 1 мин, вакуум 1,33 • 10“1н/;и2 (10 '^мм dt. ст.)\ Х900; / — зона сплавления; 2 — прослойка легкоплавкой фазы
При неравновесной кристаллизации в шве сплавов из тех же компонентов А и В, обладающих неограниченной растворимостью в жидком и твердом состояниях, масса припоя в жидкой фазе при температуре t + dt, если не происходит диффузионного выравнивания состава фаз, составит [8]:
MtVdt = C.jn, (VI.6)
где Сш — концентрация припоя в жидкой фазе; m — количество затвердевающей жидкости.
270
При снижении температуры затвердевания до значения t масса припоя в жидкой фазе
М(={СЖ — dCiw)(m — dm), (VI.7)
где dCm— снижение концентрации припоя в жидкой фазе; dm — уменьшение массы жидкой фазы.
За счет уменьшения жидкой фазы в шве образуется твердая фаза в количестве dm с концентрацией припоя ?*тВ'
Поскольку общее содержание припоя при этом не изменяется, то
Mt+dt = Mt+ Cndm или
сжт = (сж — dCJ(m-dm) + CrBdm. (VI.8)
Преобразуя выражение (VI.8) и пренебрегая бесконечно малой величиной второго порядка, получаем
dm __ dCm
т ?*тв
или после интегрирования имеем
Сж“С°
ln-BL= С (VI.9)
ш .) Ств * Сж
где т0 — масса жидкости в начале кристаллизации; С0 — концентрация в начале кристаллизации.
