Микроструктура сплавов с перитектическим и монотектическим превращениями

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

ТЕМА: «ИЗУЧЕНИЕ СТРОЕНИЯ МЕТАЛЛА. СТРУКТУРА МИКРОСТРУКТУРНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ»

Цель: Изучить микроструктуру образцов систем Рb–Sb (в порядке повышения содержания Sb), Аl–Sn (в порядке повышения содержания Sn), Cu–Sb (в светлом поле и в поляризованном свете), Sb–Sn и Cu–Рb.

Эвтектическая колония очень часто имеет в центре кристалл зарождающей фазы (иногда это – первичный кристалл).
Связь первичных кристаллов зарождающей фазы и кристаллов той же фазы в эвтектической колонии можно наблюдать в сплаве Sb – Cu при наблюдении в поляризованном свете. Диаграмма Sb – Cu (см. рисунок 5.4) показывает ограниченную растворимость компонентов в твердом состоянии. Всистеме имеется нестойкое химическое соединение Cu₂Sb.
На рисунок 5.7 показана микроструктура сплава с 30 и 70% Sb. В ней наблюдаются первичные кристаллы Cu₂Sb и эвтектика, состоящая из кристаллов Cu₂Sb и β - фазы (твердого раствора меди в сурьме). В сплавах Cu – Sb при кристаллизации эвтектики зарождающей фазой является Cu₂Sb. Тетрагональная решетка фазы Cu₂Sb обладает оптической анизотропией, благодаря чему разные кристаллы по-разному поворачивают плоскость поляризации падающего светового луча. Из-за этого при наблюдении в поляризованном белом свете при скрещенных николях ветви разных дендритов Cu₂Sb окрашиваются по-разному, а одного дендрита – одинаково. При наблюдении в поляризованном свете видно, что первичные кристаллы Cu₂Sb и кристаллы этой фазы в эвтектической колонии, окружающей первичный кристалл, вспыхивают и гаснут при одних и тех же положениях анализатора микроскопа. Это свидетельствует о единстве кристалло-графической ориентировки первичного кристалла Cu₂Sb и разветвленного кристалла той же фазы в эвтектической колонии и, следовательно, о зарождении последнего на первичном кристалле.
Если кристаллы двух эвтектических фаз одновременно врастают в расплав и образуют, в макроскопическом смысле, плоский фронт кристаллизации, то кристаллы могут расти только в направлении, перпендикулярном к фронту кристаллизации. Эвтектика в этом случае является дисперсной структурной составляющей, имеет характерное регулярное строение и при массовой кристаллизации сплавов состоит из колоний. Такая эвтектика называетсянормальной(рисунок 1). По микроструктуре такой эвтектики могут быть найдены последовательные положения фронта кристаллизации (фронт перпендикулярен длинной оси эвтектических частиц). Если же кристаллы двух эвтектических фаз не образуют плоского фронта кристаллизации, то эвтектика не имеет характерного регулярного строения и в предельном случае представляет грубый конгломерат кристаллов эвтектических фаз. Такая эвтектика называется аномальной.

Для образования нормальной эвтектической структуры необходим сопряженный рост кристаллов двух эвтектических фаз. Сопряженный рост требует взаимного подстраивания кристаллов этих фаз на каждом участке фронта кристаллизации, что достигается ветвлением кристаллов и их взаимным огибанием друг друга. Для фаз, растущих в виде ограненных кристаллов, ветвление и огибание затруднено. На основе анализа величины энтропии плавления можно предсказать структуру эвтектики. К нормальным эвтектикам относятся эвтектики, образованные фазами, кристаллы которых растут с округлой формой, т.е. для каждой эвтектической фазы энтропия плавления меньше 17 Дж моль^-1К^-1. В таких эвтектиках практически при любых условиях затвердевания реализуется сопряженный рост. Если энтропия плавления одной или обеих эвтектических фаз больше 17 Дж моль^-1К^-1, то образуются аномальные эвтектики. Аномальные эвтектики также способны к сопряженному росту, но чем больше отношение энтропии плавления эвтектических фаз отличается от 1, тем жестче становятся условия кристаллизации, при которых возможен сопряженный рост.
Дисперсность эвтектики увеличивается с увеличением скорости охлаждения расплава. Это видно из сравнения структур эвтектики в сплавах Sb + 15% Cu, охлажденных с разными скоростями.

Рисунок 1 – Микроструктура сплава 70% (по массе) Sb+30% Cu. ×100

МИКРОСТРУКТУРА СПЛАВОВ С ПЕРИТЕКТИЧЕСКИМ И МОНОТЕКТИЧЕСКИМ ПРЕВРАЩЕНИЯМИ

В системе Sb – Sn (рисунок 2) компоненты ограниченно растворимы в твердом состоянии. На диаграмме видны четыре однофазные области, разделенные двухфазными. Фазы α и β – твердые растворы на основе сурьмы и олова, α и β – промежуточные фазы. Структура сплавов этой системы может состоять из одной либо из двух структурных составляющих.
Кристаллизация сплава с 65% Sb и 35% Sn начинается примерно при 480°С выпадением из жидкости первичных кристаллов δ. В процессе охлаждения состав жидкой фазы меняется по линии ликвидус до 52 % Sb, а состав кристаллов δ –по линии солидус до 86% Sb. При 427°С происходит перитектическое превращение. Первоначально выпавшие кристаллы твердого раствора δ, взаимодействуя с жидкостью, образуют новую твердую фазу γ. Реакция записывается так [% (по массе) Sb].

Рисунок 2 – Диаграмма фазового равновесия система Sb–Sn

Так же как при эвтектическом, при перитектическом превращении в равновесии находятся три фазы: жидкая, кристаллы δ -твердого раствора и кристаллы γ -фазы. По правилу фаз Гиббса система нонвариантна. В рассматриваемом сплаве имеется избыток кристаллов δ-твердого раствора. Поэтому после превращения, кроме образовавшейся γ-фазы, в структуре сохраняются неизрасходованные первичные кристаллы δ₁. На рисунке 3 приведена микроструктура сплава с 65% Sbи 35% Sn, в которой наблюдаются кристаллы твердого раствора δ (светлые участки) и γ-фазы (темные участки). Фазы δ и γ представляют собой две разные структурные составляющие.

Рисунок 3 – Микроструктура сплава 65 % (по массе) Sb + 35 % Sn

Диффузия в твердой фазе происходит медленно, поэтому перитектическое превращение не успевает завершиться при обычных скоростях охлаждения сплава и сплав переохлаждается: происходит выделение γ-фазы из расплава. Наличие сильной зависимости температуры солидус от состава сплава приводит к ликвации в пределах зерен γ-фазы.

При кристаллизации сплавов перитектического типа наблюдается значительное отклонение от равновесия. Зарождение новой γ -фазы в рассмотренном сплаве может происходить разными путями. Чаще всего кристаллы γ -фазы зарождаются на поверхности первоначально выпавших кристаллов δ -твердого раствора, изолируя их от жидкости. Дальнейший рост γ -фазы должен обеспечиваться диффузионным переносом атомов Sn из жидкости от поверхности γ/L к поверхности γ/δ и атомов Sb из δ-твердого раствора – в противоположном направлении.
В системе Cu–Рb, в отличие от рассмотренных ранее, наблюдается ограниченная растворимость компонентов в жидком состоянии и практически полная нерастворимость их в твердом. В этой системе наблюдается расслоение жидкости, т.е. в равновесии при определенных температурах находятся две жидкости разного состава, разделенные поверхностью раздела. На рисунке 4 приведена диаграмма фазового равновесия системы Cu–Рb, в которой при температуре выше 954°С в определенной области составов в равновесии находятся жидкие фазы L₁ и L₂, содержащие при 954°С 41 и 92,5% Рb соответственно. При температуре 954°С в системе происходит монотектическое превращение: при охлаждении жидкость L₁ состава 41% Рb и 59% Cu распадается на кристаллы меди и жидкость L₂ состава 92,5% Рb и 7,5% Cu. При дальнейшем охлаждении жидкости L₂ из нее выпадают кристаллы меди, и она обогащается свинцом до 99,5 %.При температуре 326 °С затвердевает эвтектика из кристаллов меди и свинца. На рисунке 5 приведена микрофотография структуры сплава меди с 30% Рb, испытавшего монотектическое превращение. Видны кристаллы меди в виде светлых зерен и кристаллы свинца – в виде темных участков, часто имеющих округлую форму. Кристаллы свинца образовались при эвтектической реакции, а кристаллы меди, выделяющиеся также при этой реакции, присоединились к первичным кристаллам. Поэтому эвтектика в микроструктуре не видна.

Рисунок 5. – Диаграмма фазового равновесия системы Cu–Рb.

Рисунок 5 – Микроструктура сплава 70% (по массе) Cu + 30% Рb

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Работа проводится на световом микроскопе, имеющем приспособления для просмотра в поляризованном свете. Необходимо:

1 Изучить микро структуру образцов систем Рb–Sb (в порядке повышения содержания Sb), Аl–Sn (в порядке повышения содержания Sn), Cu–Sb (в светлом поле и в поляризованном свете), Sb–Sn и Cu–Рb.
Просмотр микрошлифов производить в нескольких полях зрения, сначала при малом увеличении (х100), чтобы получить впечатление о характере микроструктуры в целом, затем при большом (х200–400) – для изучения деталей строения отдельных структурных составляющих.

2 На одном из образцов сплава системы Рb–Sb (по указанию преподава-теля) определить объемные доли структурных составляющих (для последую-щего расчета состава сплава).

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

1 Зарисовать микроструктуру образцов и кратко описать ее, указав наименование каждой структурной составляющей, морфологию первичных кристаллов и эвтектики.

2 Определить по диаграмме равновесия и химическому составу фазовые составляющие сплава после окончания затвердевания. Результаты пп. 1 и 2 представить в форме таблицы (таблица 1.1).

3 Определить состав сплава системы Рb–Sb, для которого найдены объемные доли структурных составляющих.

4 Пользуясь поляризованным светом, определить, совпадает ли ориентировка первичных кристаллов Cu₂Sb и кристаллов той же фазы в эвтектике сплава системы Sb–Cu. Результаты занести в колонку «описание микроструктуры» (таблица 1.1).

Таблица 5.1

Зарисовка микроструктуры	Система	Описание микроструктуры, структурные составляющие, % (объемн)	Фазы т их состав после затвердевания	Состав сплава, % (по массе)

5 Построить схематические кривые охлаждения для всех изученных сплавов с указанием критических точек.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА ПО РАБОТЕ

1 Цель работы.

2 Краткое изложение введения (типы структурных составляющих и условиях их возникновения в сплавах изучаемых систем; факторы, влияющие на морфологию первичных кристаллов; описание структуры эвтектик и механизма их образования).

3 Диаграммы равновесия сплавов изученных систем.

4 Результаты эксперимента (данные таблицы 1.1, расчет состава сплава Рb–Sb, схематические кривые термического анализа).

5 Анализ полученных результатов (возможные причины различий в морфологии первичных кристаллов изученных сплавов; классификация наблюдавшихся эвтектик с указанием отличительных признаков; наличие связи между ориентировкой первичных кристаллов и кристаллов той же фазы в эвтектических колониях; возможные причины отклонения состава наблюдаемых составляющих от равновесного).

6 Выводы по работе (на основе проведенного анализа).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1 Что такое структурная составляющая?

2 Какое превращение называется эвтектическим? перитектическим? монотектическим? Как записываются соответствующие реакции?

3 Как определить относительное количество эвтектики по диаграмме равновесия?

4. Как происходит процесс эвтектической кристаллизации по А.А. Бочвару?

5Какие выделяют типы эвтектик? Чем отличается их строение?

6 Влияют ли первичные кристаллы на формирование эвтектической колонии?

7 Что такое эвтектическая колония?

8 В чем отличие микроструктур до- и заэвтектических сплавов в системе Рb–Sb?

9 Какую структурную составляющую называют «первичные кристаллы»?

10 Какие факторы определяют морфологию первичных кристаллов?

11 Как и почему скорость охлаждения влияет на морфологию первичных кристаллов?

12 Почему первичные кристаллы одной и той же фазы могут иметь разную морфологию (на примере системы Аl–Sn)?

13 Почему в сплаве Cu–Рb на месте эвтектики находятся только кристаллы свинца?

14 Сколько фаз входит в структурную составляющую, образующуюся при перитектической реакции?