Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Бездиффузнонная кристаллизация при определенных условиях может конкурировать с аморфизацией (или кристаллизацией по диффузионному механизму).
С точки зрения термодинамики возможно затвердевание сплава без изменения состава твердой и жидкой фаз в условиях большого переохлаждения ΔТ до температур ниже линии равных значений изобарно-изотермического потенциала G (свободной энергии Гиббса) жидкой и твердой фаз, соответствующих некоторой температуре T0 пересечения кривых GL и (при значении GM) для сплава состава С0.
Это приводит к появлению термодинамического стимула процесса бездиффузионного затвердевания указанного сплава.
Устойчивость метастабильного состояния сплава, затвердевшего без изменения состава, можно оценить величиной ΔС = СМ - СР, где СР — минимальное значение свободной энергии сплава состава С0 при затвердевании с разделением компонентов сплава между жидкой и твердой фазами, состав которых в условиях термодинамического равновесия при кристаллизации определяется значениями СS и CL (рис. 6.1).
Термодинамический критерий бездиффузионного затвердевания определяет на диаграмме состояний линию Т0Т0', соответствующую возможности затвердевания сплавов в условиях весьма высокого переохлаждения (ΔТ=ТL- T0) без изменения состава.
Кинетический критерий аморфизации, основанный на анализе кинетики кристаллизации, является также критерием затвердевания сплавов без изменения состава, так как предполагает подавление образования центров кристаллизации, определяет скорость охлаждения и значение переохлаждения (ΔТк), необходимое для затвердевания без образования и роста центров кристаллизации.
Морфологический критерий определяет условия роста поверхности S—L затвердевающей фазы без образования ячеистой или дендритной формы кристаллов, связанного с перераспределением легирующих элементов. Через параметры, определяющие морфологическую устойчивость плоской поверхности раздела S—L: R — скорость движения поверхности S—L; G — градиент температуры в расплаве; взаимосвязанную величину G*R — скорость охлаждении, морфологический критерий задает значение переохлаждения ΔTм. необходимое для затвердевания сплава без изменения состава.
Согласно теории морфологической стабильности, условия замораживания весьма концентрированных эвтектических сплавов определяются влиянием переохлаждения на скорость роста эвтектики Рb—Sn (рис. 6.2). При переохлаждении ΔТм имеет место переход эвтектика — металлическое «стекло».
При попытке получить сплав метолом высокоскоростной закалки расплава без изменения состава и формирования структурно-химической неоднородности, учитывая термодинамический ΔТт, кинетический ΔТк, морфологический ΔТм критерии, необходимо иметь в виду, что иногда в твердом состоянии может происходить сегрегация легирующего элемента, его перераспределение в результате отогрева затвердевшего сплава, обусловленного выделением скрытой теплоты затвердевания. В связи с этим необходимо учитывать также тепловой критерий ΔТтепл.
Переохлаждение ΔТтепл, необходимое для того, чтобы избежать какого-либо существенного нагрева сплава и связанного с ним перераспределения компонентов (остаточной сегрегации), пропорционально скрытой теплоте затвердевания L и обратно пропорционально теплоемкости расплава С. Для алюминия получена величина ΔТтепл ≥ 330 К, однако эксперименты показывают, что в сплавах, например Аl—Сr, Аl—Zn, удовлетворен не тепловому критерию не является необходимым условием бездиффузионного затвердевания, которое достигается в условиях кокильного литья при меньших переохлаждениях.