Введение в физику кристализации металлов - Вайнгард У.
Скачать (прямая ссылка):
§ 1. Факторы, определяющие структуру эвтектики
Несмотря на то что тип эвтектической структуры, образующейся в различных бинарных сплавах, не может быть предсказан с достаточной определенностью, все же имеется довольно много данных, показывающих важность ряда параметров для определения типа структуры.
кристаллизации
Фронт Кристаллизация эвтектических сплавов
109
Например, если эвтектика такова, что составы двух твердых фаз на диаграмме состояния эквидистантны по отношению к составу жидкости эвтектического типа, или если нет большого различия в удельных объемах, занимаемых каждой из двух твердых фаз, то часто наблюдается пластинчатая или стержневая структура. В системах Pb—Sn, Al—Zn и Cd—Sn это положение выполняется. Образование второй фазы в виде игл или выделений нерегулярной формы часто наблюдается в системах, где эвтектическая точка сдвинута ближе к составу одной из твердых фаз и где фаза, присутствующая в сплаве в небольшом количестве, обладает высокой анизотропией роста. Например, в системе Al—Si при 12% кремния образуется эвтектика игольчатого типа, состоящая из твердых фаз состава 1,5% Si — 98,5% Al и 99% Si—1 % Al. Частицы кремния, имеющие решетку алмаза, занимают 15% общего объема.
Изложенные выше общие правила имеют исключения, и требуется проведение еще многих исследований механизма кристаллизации эвтектических сплавов, прежде чем будет разработана достаточно полная теория, объясняющая образование структур различных типов. Однако имеется достаточное количество исследований, посвященных изучению процессов роста и формирования структуры в эвтектических сплавах; на основании данных этих исследований может быть дано количественное описание процесса кристаллизации в сравнительно простом случае образования эвтектики пластинчатого типа.
§ 2. Образование пластинчатой эвтектики
Образование центров кристаллизации. При охлаждении жидкости эвтектического состава рост кристаллов начинается после образования центров кристаллизации одной из твердых фаз, образующих эвтектику. Рост кристаллов возникшей фазы продолжается до тех пор, пока концентрация отводимого ими второго компонента на фронте кристаллизации не станет достаточной для 110
Г лава 10
образования центров кристаллизации второй фазы '). Зарождение кристаллов второй фазы может произойти беспорядочно в объеме жидкости или на кристаллах первой фазы. В случае зарождения на кристаллах первой фазы начинается рост кристаллов двух фаз и происходит эвтектическая кристаллизация. Если вторая фаза беспорядочно возникает в объеме жидкости, то на кристаллах второй фазы, возможно, происходит зарождение кристаллов первой фазы и начинается эвтектический
частица первичной дюзы
Зарождение второй сразы 5
Образование перемычки у края пластины
Фиг. 53. Образование новой пластины [22].
рост. В любом случае при кристаллизации происходит рост обеих фаз в поперечном и продольном направлениях до тех пор, пока градиент концентрации не приведет к образованию нового слоя, возникающего или при зарождении новых центров на пластине или вследствие перекрытия края пластины одной фазы другой фазой, как показано на фиг. 53 [22]. Механизм «перекрытия» представляется наиболее вероятным при образовании пластинчатой структуры; он подтверждается наличием определенной ориентировки пластин прерывной фазы, наблюдаемой во многих эвтектических сплавах. Образовавшиеся пластины начинают расти в жидкости в по-
') Как показал А. А. Бочвар [37] (см. также {39], стр. 160 и [40], стр. 316), иа самом деле в расплаве эвтектического состава первичные кристаллы обеих фаз часто образуются независимо друг от друга. Собственно эвтектическая кристаллизация начинается в момент сближения перемещающихся в процессе роста граней пары кристаллов обеих фаз. — Прим. ред. Кристаллизация эвтектических сплавов
111
перечном и продольном направлениях, как показано на фиг. 49.
Форма фронта кристаллизации. В данном случае фронт кристаллизации не может быть плоским и гладким, так как кристаллы двух твердых фаз, растущих совместно, обладают различными свойствами. Так, например, в сплаве эвтектического состава системы Pb—Sn пластины олова обладают большей теплопроводностью, чем пластины свинца, и с этой точки зрения
Рь У////////ЛШ> —Жидкость, обогащенная оловом
^n J-Sr-—Жидкость, обогащенная свинцом
Pb шг
Sn ) Жидкость
шш
5
-«- Направление роста
Фиг. 54. Возможная форма фронта кристаллизации в эвтектике свинец — олово.
они должны расти впереди свинцовых. Другим существенным фактором является количество примеси, отводимое каждой пластиной; значение k0 для раствора свинца в олове существенно меньше, чем для раствора олова в свинце, и, следовательно, концентрация свинца перед пластинами олова должна быть более высокой, чем концентрация олова перед пластинами свинца. Это должно привести к тому, что пластины свинца будут расти впереди пластин олова. Совокупность этих факторов, так же как и величина поверхностного натяжения между фазами, определяет точную форму фронта кристаллизации. В системе Pb—Sn непрерывная фаза на основе олова растет несколько впереди кристаллов фазы на основе свинца и фронт кристаллизации, возможно, имеет вид, схематически изображенный на фиг. 54, 112
