Неравновесная кристаллизация и перекристаллизация сплавов

Рассмотренные диаграммы состояний характеризуют равновесное состояние сплавов, т.е. структуры, образующиеся при очень малых скоростях охлаждения, при которых успевает произойти диффузия, позволяющая выравнять переменный состав кристаллов твердой фазы.

Рассмотрим процесс неравновесной кристаллизации сплавов с неограниченной растворимостью компонентов (рис.15, а) и с ограниченной растворимостью и эвтектическим превращением (рис.15, б).

а б

Рис.15

При равновесной кристаллизации из жидкой фазы выделяются кристаллы твердой фазы, состав которых соответствует определенной точке, лежащей на линии солидус. Например, при температуре t_1, твердого раствора α, содержащего 50% компонента В, будет соответствовать точке k₁; при температуре t₂ состав кристаллов α -твердого раствора будет соответствовать точке n; при температуре t₃ – точке n₁ и при температуре t₄ должна полностью завершиться кристаллизация сплава: он будет состоять из кристаллов α -твердого раствора с концентрацией, соответствующей среднестатистическому составу (50%А и 50%В).

При неравновесной кристаллизации этого же сплава при температуре t₁ будут выделяться первые кристаллы α -твердого раствора, концентрация которых также будет соответствовать точке k₁. Однако при температуре t₂ концентрация новых кристаллов и концентрация ранее выделившихся при температуре t₁ кристаллов будут различаться. Это обусловлено тем, что при большой скорости охлаждения невозможно путем диффизии выровнять химический состав кристаллов. Усредненная концентрация будет превышать равновесную концентрацию при заданной температуре и располагается справа от линии солидус. При неравновесной кристаллизации при температуре t₄ не происходит полной кристаллизации, сохраняется жидкая фаза. Таким образом, в условиях неравновесной кристаллизации сплавы затвердевают при более низких температурах (линия неравновесного солидуса, зависит от температуры).

Так как при кристаллизации твердых растворов образуются кристаллы дендритного типа, то периферийные слои кристаллов и межосные пространства, кристаллизующиеся в последнюю очередь, будут заметно различаться по составу, наблюдаются дендритные ликвации. Дендритные ликвации могут быть уменьшены при нагреве сплава до температур, обеспечивающих интенсивную диффузию компонентов сплава.

При неравновесной кристаллизации сплавов с ограниченной растворимостью компонентов и эвтектическим превращением (рис.15, б) в области образования твердых растворов также наблюдается появление неравновесного солидуса и развивается дендритная ликвация. Происходит смещение эвтектики, образуется квазиэвтектика.

В отличие от неравновесной кристаллизации для неравновесной перекристаллизации требуется значительно большее переохлаждение. Рссмотрим процесс неравновесной перекристаллизации на примере распада твердого раствора при изменении его предельной растворимости с изменением температуры (рис.16).

рис.16

В условиях ускоренного охлаждения сплава с пересыщенным твердым раствором (например сплава 1) выделение избыточной фазы будет начинаться при температурах ниже температур, расположенных на равновесной линии предельной растворимости компонентов (линия DF). Чем больше скорость охлаждения, тем при более низких температурах будет проходить выделение избыточной фазы (точки 1^/ или 1^// вместо точки 1). Соответственно кристаллов избыточной фазы будет больше и они будут более мелкие. При очень большом переохлаждении выделения избыточной фазы может вообще не быть вообще (линии DF^///, DF^////), т.е. произойдет подавление распада твердого раствора.