Какими свойствами обладают эвтектические сплавы

Подробности

Категория: Э

Просмотров: 5800

ЭВТЕКТИКА (Eutecticum, eutectic), нонвариантное превращение (распадение) жидкой фазы L на две кристаллические фазы (α, β), выражаемое формулой: L (жидкость)  αкр. + βкр.. Это двойная эвтектика; при наличии в жидкости 3 компонентов может образоваться тройная эвтектика: L (жидк.)  αкр. + βкр. + γкр. Эвтектика кристаллизуется (плавится) при более низкой температуре, чем составляющие ее кристаллические фазы в отдельности. Несмотря на то что эвтектика представляет собой механическую смесь двух фаз, концентрация сплава точно фиксирована, например, для Рb—Ag: 2,5% Ag, 97,5% Pb и температура плавления 304°С. У тройной эвтектики температура плавления ниже, чем у двойных (Рb—Bi – температура плавления 125°С, Pb—Sn = 183°С , Sn—Bi= 140°С, Pb—Bi—Sn = 96°С). Эти два условия (точная фиксация температуры плавления и концентраций) и составляют нонвариантность системы. Имеются сплавы, в которых нонвариантное превращение происходит при температуре ниже температуры плавления одной фазы и выше температуры плавления другой фазы, т. е. превращение совершается по формуле L + αкр.  βкp. Такое превращение называется перитектикой (Peritektikum, transition). Перехода двух жидких фаз в одну твердую при температуре выше температуры плавления каждой фазы в отдельности не наблюдалось. На диаграмме состояний в двухкомпонентной системе эвтектическое и перитектическое превращения выразятся, как указано на фиг. 1, где на фиг. 1а – эвтектика (или дистектика, если L – твердый раствор), на фиг. 1б – перитектика (или метатектика, если L – твердый раствор).

Для определения количества фаз для каждой концентрации служит «треугольник Таммана». Построение его производится след. обр. (фиг. 1а, 1б): приняв какую-нибудь абсциссу АВ за основание, в точке С, соответствующей эвтектической (перитектической) точке, проводим ординату CD и эту прямую произвольно соединяем с А и В – точками насыщения растворов (где количество эвтектики равно нулю); тогда для любой концентрации х” имеем, что длина  равна количеству эвтектики в % в сплаве.

Процесс эвтектической кристаллизации. Однородный эвтектический раствор распадается во время кристаллизации на смесь двух фаз. Этот процесс распада является по существу диффузионным процессом собирания атомов вещества А к одним, а атомов вещества В к другим кристаллизационным центрам. Исследование самого хода эвтектической кристаллизации непосредственно под микроскопом показывает, что при очень малых переохлаждениях, т. е. при очень малых скоростях охлаждения в отдельных местах эвтектической жидкости порознь зарождаются и растут кристаллы обеих фаз. Даже после соприкосновения двух кристаллов разных фаз продолжается рост этих кристаллов без какого бы то ни было изменения. Этот процесс продолжается до полного исчезновения жидкости, и в результате мы получаем грубые гранитоподобные конгломераты, в которых никак нельзя распознать типичной эвтектической структуры (вкл. л., 1 и 2). По-видимому минеральные эвтектики в подавляющем большинстве образовывались в подобных условиях, и потому мы так редко встречаем в природе типичные эвтектические структуры, хотя по составу многие горные изверженные породы должны бы быть эвтектиками. При несколько больших переохлаждениях процесс идет так же, но структура делается уже тоньше и м. б. названа типично эвтектической (вкл. л., 3). При средних переохлаждениях также сначала возникают отдельные кристаллики обеих фаз, но их нормальный рост продолжается только до того момента, пока они не соприкоснутся друг с другом. Как только два кристаллика разных фаз соприкоснутся, с места соприкосновения начинается и притом с гораздо большей скоростью, чем та, с которой росли отдельные кристаллики, одновременный рост массы мельчайших кристалликов обеих фаз в форме типичной эвтектики. На вкл. л., 4, 5,6 и 7 показано одно и то же место сплава сначала до момента соприкосновения кристалликов двух фаз, затем в самый момент соприкосновения и через некоторое время после этого момента. Видно, как с места соприкосновения начала разрастаться эвтектика. Сама эвтектика в этих условиях растет в форме разветвленных псевдокристаллов, сохраняющих внешнюю форму какого-нибудь из тех кристалликов, от которых она начала расти. При очень сильных переохлаждениях форма, в которой выделяется эвтектика, начинает меняться. Отдельные частицы эвтектики становятся столько мелкими, что их не удается рассмотреть даже при сильных увеличениях, а внешняя форма делается все более и более похожей на сферолит (вкл. л., 8, 9 и 10) и наконец, делается почти шаровой. Изучая форму эвтектических образований в металлах, мы должны признать, что сплавы металлов кристаллизуются при средних или сильных (для этого рода веществ) переохлаждениях. Второй период роста (с момента соприкосновения кристалликов) различен в зависимости от степени переохлаждения: при слабых переохлаждениях рост кристаллов каждой из фаз идет независимо от роста кристаллов другой фазы; при сильных переохлаждениях с момента соприкосновения начинается ускоренное образование собственно эвтектической массы. Причиной второго ускоренного одновременного роста обеих фаз с поверхности соприкосновения, по-видимому, является облегчение диффузионного разделения жидкости на два вида атомов около двух готовых центров кристаллизации, каковыми и являются соприкоснувшиеся кристаллики. Все сказанное заставляет нас считать, что прежние взгляды на кристаллизацию эвтектики, согласно которым фазы эвтектики выделяются или попеременно или одновременно, но с разной скоростью, д. б. отброшены, а к теории одновременной кристаллизации д. б. внесен весьма существенный корректив, в отношении понятия о начале эвтектической кристаллизации.

Как видно из вышесказанного, в зависимости от переохлаждения сплава можно получить или грубозернистую эвтектику («гранитоподобную» по выражению проф. А. А. Бочвара) или очень мелкую. Поэтому при нагреве грубозернистая потребует большего времени для перехода в раствор, чем мелкая, и даже потребуется более высокая температура, чем та, которая соответствует эвтектики. Кристаллы, выделившиеся в виде эвтектики или образовавшие структурно свободные фазы, что соответствует крупнокристаллическому состоянию, различно деформируются, например, эвтектоидный цементит при некотором механическом напряжении деформируется (вкл. л., 11), тогда как структурно свободный цементит при этом напряжении разрушается (вкл. л., 12), Следует заметить, что в эвтектике стали перлит наблюдается в виде полоски цементита и феррита только на плоскости шлифа; на самом деле здесь имеют место чередующиеся слои перлита и феррита в пространстве, и в зависимости от того, под каким углом прошла плоскость шлифа через этот объем, расстояние между полосками будет больше или меньше. На это обстоятельство было указано металлургом Н. Т. Беляевым еще в 1920 г. Эвтектическими сплавами пользуются для получения легкоплавких сплавов. В таких случаях применяются тройные и даже четверные эвтектики, например, сплавы 50% Bi; 12,5% Cd; 25% Pb; 12,5% Sn; температура плавления 65°С. Также имеются сплавы солей гл. обр. для термообработки, например:

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Доп. том – 1936 г.

При
кристаллизации плохо растворимых друг
в друге веществ образуется смесь
мелкозернистых кристаллов индивидуальных
компонентов которая называется
эвтектической смесью
или просто эвтектикой
(эвтектика – греч. ”легкоплавкий”).

Такое
взаимодействие протекает при сплавлении
химически индифферентных металлов
(размеры атомов которых отличаются
более чем на 15%), которые существенно
отличаются друг от друга по типу
кристаллической решетки.

Рис.2.
Диаграмма плавкости системы с образованием
простой эвтектики (кадмий – висмут).

Рассмотрим
диаграмму плавкости системы с образованием
простой эвтектики (см.рис.2). Возможные
фазовые состояния в системе:

I
область:
гомогенная система жидкого раствора
(Cd
+ Вi).

Ф = 1, С = 2 + 1 – 1 = 2

II
и III
области: из
общего раствора (Cd
+ Вi)
могут выпадать кристаллы либо Cd,
либоBi,
в зависимости от состава.

Ф = 2, С = 2 + 1 –2= 1

IV
область: из
общего раствора одновременно выпадают
кристаллы Cd
и Bi

Ф = 3, С = 2 + 1 – 3 = 0

Эта
система существует при строго определенных
значениях температуры и концентрации.
При этом создаются условия сплошной
кристаллизации, называемой эвтектикой.
В

V
и VI
области:
образуется твердый раствор, состоящий
из крупных кристаллов чистых металлов
(Cd
или Вi),
спаянных между собой мелкими кристаллами
эвтектики.

В
данном случае говорят, что твердые
сплавы содержат по две структурные
составляющие:

1. Первичную
   (вкрапленную), представляющую
   собой кристаллы того чистого металла,
   которого в составе конкретного сплава
   больше, чем в составе эвтектики;

2. Вторичную
   (матричную), представляющую
   собой эвтектическую смесь мелких
   кристаллов обоих металлов.

Ф
= 2,
С = 2 + 1 – 2 = 1

Эвтектические
сплавы характеризуются малыми размерами
и однородностью кристаллов, имеют
высокие твердость и механическую
прочность. Поэтому, например, сплавы
свинца с оловом и сурьмой применяются
в качестве типографских шрифтов и
решеток аккумуляторов. Вследствие
легкоплавкости сплавы свинца с оловом
также применяются для припоев и
подшипников.

2. Твердые растворы.

Сплав
представляет собой однородную фазу
переменного состава, в которых различные
атомы образуют общую кристаллическую
решетку называемую твердым
раствором.

Твердый раствор
образуется, если атомы смешиваемых
металлов могут замещать друг друга в
кристаллической решетке, не нарушая ее
структуры. Благодаря такой замене
получаются совершенно однородные
смешанные кристаллы, содержащие
одновременно атомы обоих металлов и
обуславливающие полную однородность
сплава.

Металлы могут
образовывать жидкие растворы неограниченной
концентрации. При охлаждении из этого
раствора выпадают кристаллы чистых
компонентов, и их смесь создает
затвердевший сплав.

Сплавы такого типа
отличаются высокой однородностью (это
гомогенные сплавы) и постепенным
изменением физических свойств с
изменением состава. Прочность и твердость
твердых растворов обычно выше, а
электрическая проводимость и
теплопроводность ниже, чем у каждого
из компонентов в отдельности.

Примером
могут служить твердые растворы: СuNi;
AgAu

Рассмотрим диаграмму
плавкости системы с образование
непрерывных твердых растворов (см.рис.3).

Вид кривых плавления
(нижняя кривая) и кристаллизации (верхняя
кривая) обусловлен тем, что выделяющиеся
при охлаждении расплава кристаллы
содержат оба компонента.

Рис.3.Диаграмма
плавкости системы с образованием
непрерывных твердых растворов (никель
– медь).

Возможные фазовые
состояния в системе:

I
область
(выше линии ликвидус): гомогенная система
расплава Ni–Cu.

Ф
= 1 C
= 2 + 1 – 1 = 2

II
область
(между линиями ликвидус и солидус):
расплав и кристаллы твердого раствора

Ф
= 2, C
= 2 + 1 – 2 = 1

III
область (ниже
линии солидус): твердый раствор.

Ф
= 2, C
= 2 + 1 – 2 = 1.