Орытпалардың кристалдануы
Қорытпалардың кристалдануы таза металдардың кристалдануы сияқты заңдылыққа бағынады. Бұнда жүйе еркіндік энергиясы минимум болатындай күйге ұмтылуы керек.
Негізгі айырмашылығы сұйық пен кристалданушы фаза арасында диффузиялық үдерістің өтуінде. Бұндай үдеріс сұйық фазада бірқалыпты таралған әртекті атомдардың қайтадан таралуы үшін қажет.
Қорытпада қатты күйінде қайтадан кристалдану орындары болады, ол қорытпа компоненттерінің аллотропиялық өзгеруімен, қатты ерітіндінің ыдырауымен, қатты ерітіндіден екіншілік фазалардың түзілуімен және компоненттердің қатты күйінде ерігіштігі ауысқан жағдайда температураның өзгеруімен сипатталады. Бұндай өзгерулер қатты күйінде фазалық түрлену деп аталады. Қатты күйінде қайтадан кристалданғанда кристалдану орталықтары түзіледі және олардың саны артады.
Әдетте кристалдану орталықтары торында ақауы бар ескі фаза дәндерінің шеттерінде және жаңа кристалдану орталығы бола алатын қорытпада пайда болады. Ескі және жаңа фазада бірнеше уақыт бойы ортақ кеңістік болады. Торлардың бұндай байланысы когерентті байланыс деп аталады. Ескі және жаңа фазалардың құрылымында өзгешелік болған жағдайда түрлену аралық фазаның түзілуі бойынша өтеді.
Кристалдардың түзілуі белгілі өлшеміне жеткенде когеренттілік бұзылады.
Қорытпалардың кристалдану процесін күй диаграммасы бойынша сипаттайды.
Күй диаграммалары
Күй диаграммасы деп қорытпалардың фазалық және құрылымдық күйін оның компоненттерінің өзара мөлшеріне, температурасына байланысты графикпен бейнелеуді айтады (2.6 суретті қара).
2.6 сурет - Күй диаграммасы
Күй диаграммасын қолдану арқылы тетіктерді термиялық өңдеуге қажетті режимдерін белгілеуге, металдарды қысым арқылы өңдеу температурасының интервалын анықтауға болады. Диаграмма әр түрлі құрамды қорытпаларды барлық жағынан зертханалық сынау нәтижесінде салынады. Сонымен қатар күй диаграммасы арқылы қорытпаның механикалық және физикалық қасиеттерін анықтауға болады. Диаграмманы салу және зерттеу үшін көбінесе негізінен термиялық әдісті қолданады.
Диаграмманың ординаталар осі температураны, абциссалар осі қорытпаны құраушы компоненттің концентрациясын көрсетеді. Координаттар жүйесінің бас нүктесінде А компонеті 100%, ал соңында 0% құрайды. Керісінше осы кезде В компонентінің мөлшері 100% болады.
Қорытпа, оның компоненттерінің сұйық күйінде, салқындаған кезде өзара әсерлесуі нәтижесінде алынатын күрделі зат. Қорытпа компоненттері болып, таза элементтер немесе орнықты химиялық қосылыстар саналады. Қос қорытпалардың күй диаграммасын тұрғызу үшін 2.8 суретте көрсетілген координаттық жүйе қолданылады.
2.8 сурет - Қос қорытпалардың күй диаграммасын тұрғызу үшін қолданылатын координаттық жүйе
Күй диаграммасында, тек қана кристалдану процесінің басталуын немесе балқудың аяқталуын көрсететін нүктелер көрсетіледі, олар сонымен қатар фазалық түрленулердің басталуын немесе аяқталуын анықтайды. Күй диаграммасын тұрғызу әдетте термиялық талдаудың көмегімен жүзеге асады. Нәтижесінде салқындау қисығы тұрғызылады.
Фазалық өзгерістерге сәйкес келетін температураларды сындық нүктелер деп атайды. Кейбір сындық нүктелердің атауы бар, мысалы, кристалдану процесінің басталуын көрсететін нүктелерді қосатын сызықты ликвидус, ал кристалдану процесінің аяқталуын көрсететін нүктелерді қосатын сызықты – солидус деп атайды.
2.7 суретте концентрация шкаласы В компонентінің мөлшерін білдіреді. Бұнда негізгі сызықтар (1) ликвидус сызығы мен (2) солидус сызығы, сонымен қатар қатты күйінде фазалардың өзгеруіне сәйкес келетін сызықтар (3, 4).
Күй диаграммасы бойынша қорытпадағы фазалық өзгеріс температурасын, фазалық құрамының өзгеруін, қорытпаның қасиетін, оны өңдеу түрін анықтауға болады.
2.5.1 Қос компонентті қорытпалардың күй диаграммалары. Қатты күйінде компоненттері бір-бірінде шексіз еритін қорытпалардың күй диаграммасы (шексіз еритін қатты ерінді қорытпалары)
Қорытпалардың күй диаграммасы мен қату қисығы 2.9 - суретте келтірілген. Шексіз қатты ертінді құрайтын жүйелер: Cu-Ni, Co-Ni, Fe-Ni, Fe-Cr, Co-Cr. Жүйенің құраушылары жоғарыда атап өтілгендей бірі екіншісінде сұйық және қатты күйде шексіз ериді. А компонентінде еріген В компонентінің қатты ерітіндісін α –ерітінді, В компонентінде еріген А компонентінің қатты ертіндісін β – ерітінді деп атайды. Компоненттер бір-бірінде сұйық күйінде де, қатты күйінде де шексіз еруі үшін олардың кристалдық торлары ұқсас және атомдарының диаметрлерінің өлшемі бойынша бір-біріне жуық болуы керек. Қатты ерітінділердің күй диаграммасы II типті күй диаграммасына жатады.
а – қорытпаның күй диаграммасы
б - қорытпаның қату қисығы
2.9 сурет - Қатты күйінде компоненттері бір-бірінде шексіз еритін қорытпалардың күй диаграммасы
Алдымен термиялық қисықтарды орналастырады. Алынған нүктелерді диаграммаға көшіреді, қорытпаның кристалдануының басталуын көрсететін нүктелер мен кристалданудың аяқталуын көрсететін нүктелерді қосса күй диаграммасы алынады.
Келтірілген диаграммаға талдау жасайық.
1. Компоненттер саны: К = 2 (А және В компонентері).
2. Фазалар саны: f = 2 (L сұйық фаза, α қатты ерітіндінің кристалдары).
3. Диаграмманың негізгі сызықтары:
· acb – ликвидус сызығы, бұл сызықтан жоғары қорытпа сұйық күйде болады;
· adb – солидус сызығы, бұл сызықтан төмен қорытпа қатты күйде болады.
4. Қорытпа жүйесінің сипаттамалары: А және В таза компоненттері тұрақты температурада кристалданады, В компонентінің қату сызығы 2.9, б суретте келтірілген. Қалған қорытпалар I қорытпасына сәйкесті кристалданады, оның қату қисығы 2.9, б суретте келтірілген.
I қорытпаның кристалдану процесі: 1 нүктесіне дейін сұйық күйіндегі қорытпа салқындайды. 1 нүктесіне сәйкесті температурада α қатты ерітіндінің кристалдану орталықтары пайда бола бастайды. Салқындау қисығында сындық нүктелерді кескіндейтін қисық келтірілген, ол салқындау жылдамдығының бәсеңдеуімен байланысты. Салқындау жылдамдығы азайған кезде кристалданудың ішкі (жасырын) жылуы бөлінеді. 1-2 бөлігінде температураның төмендеуіне сәйкесті кристалдану үдерісі өтеді, фазалар ережесіне сәйкесті қос компонентті жүйеде екі фаза болғанда (сұйық және α қатты ерітінді кристалдары) еркіндік дәрежесінің шамасы бірге тең болады (с=2-2+1). 2 нүктесіне сәйкесті температураға жеткенде қорытпа қатаяды, температураны одан әрі төмендеткенде α қатты ерітіндінің біртекті кристалдарынан тұратын қорытпа қатты күйінде салқындай береді. Қорытпаның микроқұрылымының сұлбасы 2.10 суретте келтірілген.
2.10 сурет – Қорытпаның, яғни біртекті қатты ерітіндінің микроқұрылымының сұлбасы
5. Қорытпаны сандық құрылымдық-фазалық талдау.
Күй диаграммасын пайдалана отырып кез-келген температурада әрбір қорытпаның тек қана фазалар санын емес, сонымен қатар олардың құрамын және сандық қатынасын анықтауға болады. Ол үшін кесінділер ережесі қолданылады. Қорытпаны сандық құрылымдық-фазалық талдау үшін берілген нүктеден диаграмманың ең жақын қисығына (ликвидус, солидус немесе компоненттер өсі) дейін горизонталь (конода)жүргізеді.
а) m нүктесіндегі фазалардың құрамын анықтау:
Ол үшін m нүктесі арқылы диаграмманың ең жақын қисығына (ликвидус, солидус) дейін горизонталь жүргіземіз. Сұйық фазаның құрамы p ликвидус сызығынан концентрация өсіне дейін жүргізілген горизонталь сызықты қиылыстыратын нүктенің проекциясы бойынша анықталады.
Қатты фазаның құрамы q солидус сызығынан концентрация өсіне дейін жүргізілген горизонталь сызықты қиылыстыратын нүктенің проекциясы бойынша анықталады.
Сұйық фазаның құрамы ликвидус сызығы бойынша өзгереді, ал қатты фазаның құрамы p ликвидус сызығынан концентрация өсіне дейін жүргізілген горизонталь сызықты қиылыстыратын нүктенің проекциясы бойынша анықталады.
Фазаның құрамы температураның төмендеуі бойынша В компонентінің құрамының аз мәніне қарай өзгереді.
б) Берілген температурада (m нүктесінде) қатты және сұйық фазалардың сандық қатынасын анықтау:
Фазалардың сандық мөлшері жүргізілген канодаға кері пропорционалды. m нүктесі арқылы жүргізілгенконода мен оның кескінін қарастырайық.
Қорытпаның бар мөлшері (Qсп) pq кескіні бойынша анықталады.
Ликвидус сызығымен жанасатын pm кескіні қатты фазаның мөлшерін білдіреді.
Солидус сызығымен жанасатын mq кескіні сұйық фазаның мөлшерін білдіреді.
