Введение в физику кристализации металлов - Вайнгард У.
Скачать (прямая ссылка):
Рассмотрим равновесную кристаллизацию сплава, содержащего 50% меди и 50% никеля, происходящую при столь медленном охлаждении тигля с жидким расплавом, что успевают пройти диффузионные процессы выравнивания концентрации в жидкой и твердой фазах и их составы остаются одинаковыми во всем объеме каждой фазы в течение всего времени кристаллизации.
Фиг. 20. Диаграмма состояния системы медь — никель.
Происходящие при равновесной кристаллизации процессы могут быть проанализированы на основе диаграммы состояния, приведенной на фиг. 20. По мере охлаждения температура расплава понижается от Tx до Ti без каких-либо существенных изменений в состоянии жидкости. При температуре Ti (температуре ликвидус для этого сплава) или чуть-чуть ниже нее в расплаве образуется первый кристаллик твердой фазы. Образовавшаяся твердая фаза имеет состав C1, определяемый пересечением линии, соответствующей температуре Ti, с линией солидус; в условиях равновесия состав жидкой и твердой фаз зависит от температуры,
50 I
Cu
С2 C0 cj с, Весовой процент никеля Интерпретация диаграмм состояния
49
Образование небольшого количества твердой фазы состава Ci должно привести к изменению состава прилегающей к ней жидкости, так как концентрация Ci отлична от исходной концентрации C0 в жидкости. Так как твердая фаза имеет состав C1, т. е. несколько обогащена никелем по сравнению с исходной жидкостью, то жидкость, непосредственно окружающая твердую фазу, должна быть обеднена никелем.
В случае равновесной кристаллизации дальнейшего понижения температуры не происходит до тех пор, пока состав жидкости не выравняется по всему объему за счет диффузии или конвекции. Когда это произойдет и вся жидкость будет иметь состав, отвечающий данной температуре, процесс кристаллизации будет продолжаться. Теперь состав жидкости будет несколько смещен влево от исходного состава 50% Ni — 50% Cu, и образующаяся из жидкости этого состава твердая фаза должна быть обогащена медью или обеднена никелем по сравнению с образовавшейся вначале твердой фазой состава С]. Таким образом, в случае равновесия при температуре T2, например, вся оставшаяся жидкость должна иметь состав C2, а вся образовавшаяся твердая фаза — C3. При этом состав образовавшейся вначале твердой фазы C1 должен измениться вследствие диффузии атомов меди внутрь, а атомов никеля из нее в возникшую позже твердую фазу. Это выравнивание концентрации будет продолжаться до тех пор, пока средняя концентрация меди в твердой фазе не увеличится до C3. Диффузия в твердом теле протекает очень медленно, на несколько порядков медленнее, чем диффузия в жидкости, и поэтому она является контролирующим фактором при кристаллизации в равновесных условиях. Этот процесс диффузии в твердом состоянии протекает настолько медленно, что для затвердевания сплава объемом в несколько кубических сантиметров в равновесных условиях потребуется много лет. Несмотря на практическую неосуществимость кристаллизации в равновесных условиях, выяснение принципиальных вопросов этого процесса является весьма полезным.
По мере протекания процесса кристаллизации состав жидкой и твердой фаз изменяется в соответствии с их
4 У. Вайнгард 50 Глава 5
-\-
равновесными значениями при данной температуре. При кристаллизации изменяется не только состав жидкой и твердой фаз, но одновременно количество твердой фазы увеличивается, а количество жидкости уменьшается до тех пор, пока при температуре T3 последняя порция жидкости не затвердевает, образуя твердую фазу состава C0 или 50% Ni —50% Cu.
Правило рычага. Используя правило рычага, можно определить количество жидкой и твердой фаз при любой температуре в процессе кристаллизации. На фиг. 21
Весовой процент никеля
Фиг. 21, Диаграмма состояния системы медь — никель.
снова приведена диаграмма состояния системы никель — медь и рассмотрен сплав того же состава, что и раньше. При температуре несколько ниже, чем Tu количество твердой фазы в расплаве очень мало, а при температуре чуть выше T3 весьма мало количество жидкости. При температуре T2 состав жидкости — C2, а состав твердой фазы — C3. Из рассмотрения массового баланса можно определить количество жидкой и твердой фаз при температуре T2. Обозначим вес жидкой фазы через Wl, Интерпретация диаграмм состояния
Sl
твердой через Ws, а общий вес жидкой и твердой фаз через W0- Суммарное количество никеля в твердой и жидкой фазах должно быть равно общему количеству никеля в сплаве, или
(WiC2^(WsC3) = W0C0 = (fl?Vf Ws)C01 Ws (C3 — C0) = W1 (C0 — C2).
Так как C3-C0 и C0-C2 можно рассматривать как плечи рычага, принимая C0 за точку опоры, то приведенное выше выражение известно под названием правила рычага. Количество жидкости, умноженное на плечо со стороны жидкости на диаграмме состояния, равно количеству твердой фазы, умноженному на плечо со стороны твердой фазы.
§ 2. Неравновесная кристаллизация сплавов, образующих твердый раствор
Рассмотрим кристаллизацию сплава состава 50% Cu — 50% Ni, протекающую в реальных условиях, существующих при обычном литье. Как и в предыдущем случае, первые кристаллы твердой фазы образуются при температуре Т\ (фиг. 22) и имеют состав С\. Так как образовавшаяся твердая фаза обогащена никелем по сравнению с жидкостью, жидкость, окружающая ее, будет обеднена никелем. Однако в этом случае выравнивание концентрации в жидкости не успевает произойти, и слой жидкости, непосредственно примыкающий к твердой фазе, остается с несколько пониженным содержанием никеля и повышенным содержанием меди. Кристаллизация происходит на границе раздела твердой и жидкой фаз, и поэтому следующий образующийся слой твердой фазы будет обогащен медью по сравнению со слоем, образующимся в равновесных условиях, так как он закристаллизовался из жидкости, более богатой медью.
