Фазовые превращения в сплавах в твердом состоянии

В отличие от фазовых превращений, связанных с кристаллизацией, которые называют первичными, фазовые превращения в сплавах в твердом состоянии называют вторичными. Эти превращения происходят при нагреве или охлаждении и состоят в замене одной фазы (или нескольких фаз) на другую фазу (или несколько фаз). В упрощенном виде такие превращения описываются той или иной твердофазной реакцией между исходной (старой — old) фазой Фold и вновь образующейся (новой — new) фазой Фnew:



или для двух образующихся фаз



В результате твердофазной реакции образуется фаза (фазы), отличающаяся от исходной или только кристаллической структурой, или одновременно и кристаллической структурой и химическим составом.

Твердофазные превращения протекают в сплавах под воздействием температуры, количественного соотношения элементов (химического состава). В зависимости от того, насколько новая фаза отличается от исходной — только кристаллической структурой или кристаллической структурой и химическим составом — выделяют несколько типов фазовых превращений.

Распад твердого раствора с образованием новой фазы. В этом случае кристаллическая решетка и химический состав новой фазы (фаз) отличаются от исходной фазы (рис. 4.8).

По схеме I протекает, например, фазовое превращение в сплавах системы алюминий — медь (см. рис. 4.6): а-твердый раствор ниже линии переменной растворимости распадается с образованием новой фазы — интерметаллического соединения CuAl2, которое и по химическому составу, и по кристаллической структуре отличается от исходного a-твердого раствора. Твердофазная реакция имеет вид



где а* — твердый раствор, обедненный в результате образования химического соединения и «ухода» в это соединение меди.

Распад твердого раствора с образованием двух фаз одновременно. Это превращение аналогично эвтектическому, но поскольку оно протекает в твердой фазе, то носит название эвтектоидного. На диаграмме состояния (рис. 4.9) такое превращение описывается реакцией



Сплавы с концентрацией легирующего компонента менее хэ называются доэвтектоидными, с концентрацией более хэ — заэвтектоидными.

Полиморфное превращение в сплавах. Обусловленное полиморфизмом одного из компонентов, полиморфное превращение может протекать как по схеме I, так и по схеме II (рис. 4.10).

По схеме I полиморфное превращение протекает в сплавах с содержанием В-компонента более х1 (см. рис. 4.9). Так, при охлаждении в области а + у происходит постепенный переход высокотемпературной модификации у в низкотемпературную модификацию а. При этом по достижении температуры эвтектического превращения концентрация В-компонента составляет х1 в a-фазе и хэ — в у-фазе.

По схеме II полиморфное превращение протекает в сплавах с содержанием В-компонента менее х1: кристаллическая решетка фаз изменяется, а химический состав остается постоянным.

Признаком фазовых превращений также является равновесность или неравновесность фаз, участвующих в превращении. Равновесие сплава данного состава — это состояние, которое не может быть изменено при изменении внешних условий, в частности температуры.

Равновесное состояние получают при очень медленном нагреве или охлаждении. Обычно такое состояние характеризуется наименьшей прочностью и наибольшей пластичностью. Например, распад твердого раствора с образованием новой фазы может происходить равновесно, т. е. при медленном охлаждении из высокотемпературной области твердого раствора (схема I фазового превращения).

Однако полученный твердый раствор может быть и неравновесным. Это происходит, например, в сплавах с переменной растворимостью, когда из высокотемпературной а-области охлаждение проводят ускоренно, что предотвращает равновесный распад. В результате образуется твердый раствор, в котором содержание В-компонента при комнатной температуре не соответствует равновесной концентрации (для сплавов системы алюминий — медь этот показатель составляет 0,1 %). Такой твердый раствор является пересыщенным (по отношению к равновесному состоянию), и потому он представляет собой неравновесную (метастабильную) фазу.

При последующем нагреве, когда температура намного ниже значений, соответствующих линии переменной растворимости, из пересыщенного твердого раствора выделяются высокодисперсные фазы (обычно не соответствующие равновесию), что приводит к существенному упрочнению сплава. В общем виде реакция распада такого раствора имеет вид



Полиморфное превращение также может происходить при медленном охлаждении равновесно:



Если охлаждение проводят быстро, когда равновесный распад не успевает произойти, то из у-фазы получают нестабильную фазу, называемую мартенситом.

Мартенсит получают в результате фазового превращения, являющегося полиморфным, сдвиговым и происходящего при высокой скорости охлаждения из высокотемпературной области, при которой предотвращается равновесное диффузионное превращение. В сплавах на основе полиморфных металлов, железа и титана мартенсит — это матричная фаза, которая может быть твердым раствором замещения или внедрения, как ненасыщенным, так и пересыщенным.

В случае когда мартенсит является твердым раствором замещения (безуглеродистые стали систем Fe—Ni, Fe—Cr—Ni, титановые сплавы и др.), он имеет невысокую твердость и повышенную пластичность, даже если он пересыщенный. Если мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор внедрения, то он отличается очень высокой твердостью и хрупкостью, что характерно для мартенсита углеродистых, низко- и среднелегированных сталей.