Диаграммы перитектического типа

Компоненты, образующие ограниченные твердые растворы, могут образовывать системы, в которых происходит кристаллизация по перитектическому механизму. На диаграмме фазового равновесия такой системы (рисунок 3.4.1) перитектическая точка p горизонтали pb располагается по одну сторону от точек а и b максимальной взаимной растворимости компонентов в твердом состоянии.

Перитектическая реакция L_p+b_b®a_a, протекающая прикристаллизации сплавов участка p-b, заключается во взаимодействиижидкости L_p с выпавшими ранее первичными b_b- кристаллами, в результатекоторого образуются новые a_a-кристаллы. Иначе говоря, жидкость L_p растворяет выпавшие при более высоких температурах b_b–кристаллы, одновременно кристаллизуясь в виде новых кристаллов a_a–твердого раствора.

Рисунок 3.4.1- Диаграмма состояния системы перитектического типа. Кривая охлаждения сплава с составом точки а и его структура.

Кристаллизация сплава, состав которого соответствуетперитектической точкер, начинается с образования кристаллов α-фазы, и перитектическая реакция в нем невозможна из-за отсутствия кристаллов β-фазы. Структура затвердевшего сплава соответствует однофазному состоянию, и состоит только из зерен α-твердого раствора, разделенных высокоугловыми межзеренными границами.

В зависимости от состава сплавов от точки р до точки b перитектическая реакция заканчивается по-разному. Единственным сплавом, в котором перитектическая реакция L_p+b_b®a_a протекает с одновременным и полным исчезновением обеих исходных фаз является сплав, отвечающий по составу точке а (рисунок 3.4.1).

Рассмотрим фазовые превращения, протекающие в сплаве. При первичной кристаллизации в интервале температур t₁-t_p состав b-кристаллов изменяется по кривой солидуса В’b от точки 1` к точке b, а состав кристаллизующейся жидкости – по кривой ликвидуса B’p от точки 1 к перитектической точке p или L<sub>1-p</sub>®b<sub>1`-b.</sub> По достижении температуры t_p в равновесии оказываются жидкость L_p и b_b – кристаллы, относительные количества которых определяются отношениями отрезков ab/pb и ap/pb. Жидкость L_p и первичные кристаллы b_b взаимодействуют по перитектической реакции L_p+b_b®a_a полностью.

В результате такой реакции образуются кристаллы новой α-фазы состава точки а. С понижением температуры ниже перитектической, из кристаллов α-фазы выделяются вторичные кристаллы b-фазы. Состав a кристаллов изменяется по кривой сольвуса аа_1, а вторичных b кристаллов – по кривой сольвуса bb₁, т.е. a_a-a1 ®b_b-b1. При комнатной температуре a_а1 – кристаллы оказываются в равновесии с b_b1 – кристаллами. В структуре этого сплава – две структурные составляющие: a - кристаллы, образовавшиеся по перитектической реакции, и вторичные b-кристаллы, располагающиеся в виде прожилок по границам зерен. Кривая охлаждения и структура сплава представлены на рисунке 3.4.1.

В сплавах, расположенных между точками а и b (рисунок 3.4.2), перитектическая реакция протекает лишь до исчезновения жидкости L_p, расходуемой полностью для протекания перитектической реакции. Причем это происходит в тот момент, когда в сплаве еще сохраняется некоторое количество оказавшихся в избытке β кристаллов: L_p+b_b®a_a(+b_изб^.).

Рисунок 3.4.2 - Диаграмма состояния системы перитектического типа. Кривая охлаждения и структура сплава с избытком твердой фазы после перитектической реакции.

Количество кристаллов b-фазы, образовавшихся при первичной кристаллизации до начала перитектической реакции, определяется правилом рычага и равно Р2/Рв. После завершения перитектической кристаллизации количество избыточных кристаллов b-фазы в сплаве определяется соотношением а2/ав. Структура сплава после превращения состоит из оказавшихся в избытке β-кристаллов и α-кристаллов перитектического происхождения.

В зависимости от того, где зарождаются α-кристаллы в сплавах, и соответствующих особенностей механизма перитектического превращения, в системе могут возникать быть два типа структур.

Во-первых, при перитектической реакции α-кристаллы могутзарождатьсяна поверхности β-кристаллов, окружая их сплошными ободками образующейся фазы. Такая структура носит название «структурыокружения», подобная структура изображена на рисунке 3.4.2, а для сплава системы Sn-Sb на рисунке 3.4.3. В этом случае рост кристаллов новой фазы возможен только за счет продвижения межфазной границы L-α в сторону жидкости, а границы β-α в сторону β-кристаллов. Этот процесс сопровождается диффузией атомов через твердую α-фазу. Обычно в структуре окружения избыточная фаза из-за неоднородного растворения, зависящего от многих факторов, имеет неровную поверхность.

а	б
Рисунок 3.4.3. Диаграмма состояния системы Sn-Sb (а); cтруктура сплава Sn – 20% Sb в литом состоянии (б); структурные составляющие: избыточные b - кристаллы (SnSb) и a - кристаллы, образовавшиеся по перитектической реакции, х100

Во-вторых, формирование структуры может быть связано сзарождением новых α-кристаллов при перитектическом превращениинепосредственно в жидкости. При этом, кристаллы α-фазы растут в окружении жидкости, а β-кристаллы при этом в жидкости растворяются. Диффузия атомов при подобной кристаллизации, по сравнению с первой схемой облегчена, так как атомы к межфазным границам перемещаются в жидкой фазе, а, как известно, диффузионные процессы в жидкости протекают на порядки быстрее, чем в твердом теле.

Кроме того, жидкость, окружающая растущие кристаллы, не препятствует свободному перемещению межфазной границы в направлении роста. В структуре сплавов наблюдаются отдельно α-кристаллы, и отдельно избыточные β-кристаллы. Схематично такая структура представлена на рисунке 3.4.2, а для сплава на основе системы Cu-Zn на рисунке 3.4.4.

а	б
Рисунок 3.4.4 - Диаграмма состояния Cu –Zn [1] (а); cтруктура сплава Cu – 38% Zn в литом состоянии (б); структурные составляющие: избыточные b – кристаллы (темные) и a – кристаллы (светлые), образовавшиеся по перитектической реакции, х100

В сплавах, расположенных между точками p и a, перитектическая реакция заканчивается полным расходованием b_b-кристаллов: L_p+b_b®a_a(+L_p^ост), поскольку в этом случае перитектическая реакция развивается в условиях избытка жидкой фазы. При этом, перитектическая реакция оказывается возможной лишь до тех пор, пока не будут в полном объеме израсходованы кристаллы β-фазы, количество которых в рассматриваемых сплавах оказывается недостаточным для полного завершения кристаллизации во всем объеме сплава.

В этом случае в сплаве после перитектического превращения остается не израсходованная избыточная жидкость и некоторое количество образовавшихся по перитектической реакции кристаллов новой α-фазы. Их количественное соотношение может быть определено по правилу рычага.

Последующее охлаждение в соответствии с диаграммой состояния приводит к продолжению кристаллизации α-твердого раствора, но уже непосредственно из жидкости по рассмотренному ранее механизму кристаллизации твердых растворов. После окончания кристаллизации в связи с уменьшением растворимости компонента В в α-твердом растворе происходит выделение на границах зерен α-фазы вторичных β-кристаллов. Кривая охлаждения и структура сплава показана на рисунке 3.4.5.

Рисунок 3.4.5. Диаграмма состояния перитектического типа. Кривая охлаждения и структура сплава с избытком жидкой фазы после перитектической реакции.