» » Основные закономерности процесса образования твердых растворов и соединений
11.01.2015

Образование твердых растворов и соединений между твердым и жидким металлами происходит в результате протекания диффузионных процессов в твердой фазе. Причем твердые растворы, представляющие собой ту же фазу, что и чистый металл, образуются вследствие атомной диффузии, а интерметаллические соединения и твердые растворы, являющиеся новыми фазовыми образованиями, — вследствие реактивной диффузии. Te и другие процессы рассматриваются в специальных работах. Здесь мы укажем лишь их основные закономерности.
Диффузия жидкого металла в твердый с образованием твердого раствора замещения приводит к появлению поверхностного слоя с повышенной концентрацией диффундирующего элемента. В направлении от поверхности в глубь твердого металла концентрация непрерывно уменьшается. Поэтому часто очень трудно выявить металлографическим исследованием границу диффузионного фронта. Глубина диффузии (расстояние от поверхности до слоя с постоянным отношением концентрации в этом слое к предельной концентрации с/с0) определяется уравнением
Основные закономерности процесса образования твердых растворов и соединений

где Dтр — коэффициент диффузии жидкого металла в твердом; t — время; К — константа, зависящая от с/с0. Коэффициент диффузии является функцией температуры
Основные закономерности процесса образования твердых растворов и соединений

где Qж — энергия активации диффузии; Т — абсолютная температура. Иногда коэффициент диффузии существенно зависит от концентрации диффундирующего элемента.
В случае реактивной диффузии концентрация равномерно изменяется лишь в пределах одной фазы или интерметаллического соединения. На границе фаз или соединений концентрация диффундирующего металла изменяется скачком. Этот скачок вызван отсутствием при реактивной диффузии двухфазных областей, в которых в соответствии с правилом фаз долито быть строго постоянное отношение концентрации компонентов, что исключает возможность диффузии через такой слой. Благодаря скачку концентраций границы слоев интерметаллических соединений или новых фаз обычно хорошо видны на шлифах после травления. Последовательность в расположении слоев в направлении от жидкого металла внутрь твердого обычно такая же, как и на диаграмме состояния для этих металлов. Ho наблюдаются и отступления от этого правила, определяемые кинетическим фактором. Возможно, они связаны с влиянием растворения в жидком металле, а также с различной величиной теплоты образования разных соединений.
Рост ширины поверхностных слоев интерметаллических соединений или других новых фаз lи подчиняется уравнению, аналогичному (111):
Основные закономерности процесса образования твердых растворов и соединений

где P — постоянная. Коэффициент диффузии через слой интерметаллического соединения является экспоненциальной функцией температуры, аналогичной (112).
Указанные закономерности взаимодействия твердого и жидкого металлов наблюдаются в случае, когда слой поверхностного соединения остается все время сплошным. Если интерметаллическое соединение имеет меньший удельный объем, чем твердый металл, то поверхностный слой растрескивается от неизбежных при этом растягивающих напряжений. В результате скорость взаимодействия жидкого металла с твердым значительно возрастает и не подчиняется уравнению (113). Пример растрескивающегося поверхностного слоя интерметаллического соединения приведен на рис. 45.
Основные закономерности процесса образования твердых растворов и соединений

Очевидно, о возможности образования при определенной температуре твердого раствора или интерметаллического соединения между твердым и жидким металлами можно судить на основании соответствующих диаграмм состояния. Однако это не снимает вопроса о кинетике процесса, которая может быть такова, что за интересующий промежуток времени поверхностный слой практически не образуется.
Образование слоя твердого раствора или интерметаллического соединения на поверхности конструкционного металла в результате его взаимодействия с жидкометаллической средой — весьма нежелательное явление. Обычно такой слой бывает хрупким, что приводит к снижению пластичности всего изделия в целом. Рассмотрение бинарных диаграмм состояния показывает, что большинство твердых металлов, которые используются в качестве основы или легирующих компонентов технических сплавов, не образует ни твердых растворов, ни соединений с легкоплавкими металлами, представляющими интерес как теплоносители. Железо например, не вступает в такого рода взаимодействия с Na, К, Li, Pb и Bi.
Кроме непосредственного взаимодействия жидких металлов с твердыми, результатом которого является слой твердого раствора или соединения, к этой категории явлений относится также взаимодействие щелочных металлов с кислородом, растворенным в некоторых твердых металлах, и взаимодействие лития с углеродом и неметаллическими примесями в сталях. Эти частные случаи эффекта, когда жидкометаллическая среда вступает и химическое взаимодействие с компонентами твердого металла, имеющие большое практическое значение, рассматриваются ниже.