Введение в физику кристализации металлов - Вайнгард У.
Скачать (прямая ссылка):
Образование новых более тонких пластин может уменьшить пути диффузии для олова, отводимого пла- Кристаллизация эвтектических сплавов
115
Направление роста
стинами свинца, и для свинца, отводимого пластинами олова, но это не приводит к аккомодации третьего элемента, если он присутствует в расплаве и отводится пластинами обоих типов. Наличие третьего элемента может вызвать концентрационное переохлаждение и привести к образованию устойчивой ячеистой субструктуры на фронте кристаллизации. На фото 18 приведена микроструктура верхней поверхности эвтектического сплава Pb—Sn, выплавленного из не очень чистых компонентов; на фотографии видны выступающие в жидкость ячейки, границы ячеек расположены в углублениях на фронте кристаллизации [25]. Структура фронта кристаллизации того же кристалла представлена на фото 19.
Анализ микрошлифа, изготовленного в плоскости, параллельной фронту кристаллизации, показывает, что характер распределения фаз вблизи границ ячеек изменяется (фото 20) [26]. Такая ячеистая структура, или колонии, обычно наблюдается в промышленных эвтектических сплавах. Для анализа причин наблюдаемых изменений в расположении фаз следует обратиться к схеме, приведенной на фиг. 55, где изображен вид сверху на ячеистую структуру на фронте кристаллизации. Так как рост всегда происходит в направлении, перпендикулярном к фронту кристаллизации, искривление фронта, происходящее при образовании выступаю щих ячеек, вызывает изменение в форме фазы, выделяющейся вблизи границы.
Таким образом, в структуре обычных эвтектических сплавов, образованных из не очень чистых компонентов, можно наблюдать три различные структуры: зерна,
Твердая фаза
Фиг. 55. Расположение частичек фаз на движущемся ячеистом фронте кристаллизации.
8* 116
Г лава 10
эвтектические колонии, или ячейки, и эвтектическая смесь; каждая из этих структур является субструктурой по отношению к предшествующей.
§ 5. Модифицирование
Как указывалось ранее в этой главе, распределение эвтектических фаз зависит от присутствия примесей и условий кристаллизации.
Так, в частности, изменением скорости роста или добавлением специальной примеси может быть изменен характер выделений в аномальной эвтектике. Например, введение натрия в эвтектику алюминий — кремний или разливка сплава с малым перегревом приводит к образованию второй фазы в виде глобулярных, а не игольчатых выделений. Вследствие того что сплавы системы алюминий—кремний имеют важное практическое значение, весьма желательно установить причины структурных изменений, наблюдаемых в этих сплавах. Для объяснения эффекта модифицирования, наблюдаемого в сплавах этой системы, было предложено много теорий. Обзор всех или хотя бы одной из этих теорий не является целью настоящей книги. Но тем не менее представляется целесообразным проанализировать эффект модифицирования, используя положения, рассмотренные ранее.
Прежде всего необходимо остановиться на некоторых особенностях модифицирования. Следует отметить, что, во-первых, модифицирование оказывает влияние на величину переохлаждения; во-вторых, при введении натрия эвтектическая точка на диаграмме фазового состояния (фиг. 56) сдвигается в сторону кремния; в-третьих, необходимое для модифицирования количество натрия весьма мало и составляет ~0,01% и, наконец, что форма модифицированных кристаллов кремния не зависит от того, как производилось модифицирование. Структурные изменения, вызываемые модифицированием, видны из сравнения микроструктур, представленных на фото 21 [27], где приведены структуры модифицированной и немодифицированной эвтектик. Из предста- Кристаллизация эвтектических сплавов
117
вленных фотографий видно, что число частиц кремния значительно больше в модифицированном сплаве, чем в немодифицированном, а это в свою очередь означает, что модифицирование стимулировало развитие процес-
Ф и г. 56. Диаграмма состояния системы алюминий — кремний.
сов зарождения кристаллов. Это соответствует приведенному выше положению, что в результате модифицирования изменяется величина переохлаждения; чем больше переохлаждение, тем более интенсивно протекают процессы зарождения, что приводит к образованию более мелких частиц.
Почему и как происходит интенсификация процессов зарождения кристаллов в модифицированном сплаве? По крайней мере два ответа могут быть даны на этот 118
Г лава 10
вопрос. Во-первых, увеличение количества центров кристаллизации может происходить, если предположить, что повышение концентрации модификатора перед растущими кристаллами будет препятствовать их росту до больших размеров. Если частицы не имеют возможности расти, то по мере протекания процесса кристаллизации должно происходить зарождение новых кристаллов. Во-вторых, возможной причиной увеличения числа центров может явиться то, что под действием модификатора процессы зарождения кристаллов кремния резко замедляются и в конце концов происходят при большей величине переохлаждения, чем в отсутствие третьего компонента. Другими словами, потенциальные зародыши при введении модификатора как бы «отравляются» и их действие не проявляется до тех пор, пока не будет достигнута определенная степень переохлаждения; когда это переохлаждение достигнуто, происходит зарождение очень большого числа центров кристаллизации и образуется большое число мелких кристаллов кремния. В более общей форме и в соответствии с рассмотренными выше положениями можно сказать, что модифицирование приводит к замедлению роста и стимулированию зарождения кристаллов.
