Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Диаграмма состояния и фазовые составляющие системы железо-кремний

01.06.2019


Современная диаграмма состояния системы Fe—Si создана трудами большого коллектива ученых, начавших эту работу в конце прошлого столетия. Несмотря на это, до сих пор остаются спорными и неясными некоторые из ее особенностей, преимущественно относящиеся к сплавам, богатым железом.

Достаточно подробный обзор старых работ (до 1933 г.) по этому вопросу содержится в монографии Грейнера, Марша и Стаутона. Более новые публикации (до 1958 г.) получили известное отражение в справочниках Хансена и Андерко и особенно Вола.

Одно из первых систематических исследований системы Fe—Si было выполнено Гюртлером и Тамманом. Основываясь на результатах термического и металлографического анализа технических сплавов, они построили первый эскиз ее диаграммы, предполагающий существование широкой области твердых растворов (0—20% Si), двух интерметаллидов Fe2Si (tпл = 1248° С) и FeSi (tпл = 1443°С), а также двух эвтектик (Fe2Si, FeSi и FeSi, Si). При этом авторы не учли указаний своих предшественников о наличии в рассматриваемой системе еще и высшего силицида, по составу либо близкого к дисилициду, либо содержащего несколько большее количество кремния.

Важным этапом в разработке диаграммы состояния системы Fe—Si явились работы Курнакова и соавторов. Используя методы термического и металлографического анализа, они установили (рис. 36), что железо образует с кремнием, помимо конгруэнтно плавящегося моносилицида (е-фаза), еще и высший силицид, содержащий от 55,18 до 61,50% Si (FeSi2,42-3,08), плавящийся при температуре около 1243°С. Авторы назвали его в честь Лебо лебоитом (е-фаза). Недостаточно прецизионный уровень исследования не позволил авторам установить форму соответствующих ему линий ликвидуca и солидуса. Они лишь предположительно указали на наличие небольшого открытия максимума.
Диаграмма состояния и фазовые составляющие системы железо-кремний

Дальнейшее развитие диаграмма состояния получила в трудах Мураками, Фрагмен, Оберхоффера и других авторов, обобщивших и существенно расширивших данные своих предшественников.

Мураками прежде всего установил существование еще одного силицида (в-фаза, которой он приписал формулу Fe3Si2), образующегося по перитектоидной реакции при 1020° С. Кроме того, им было подтверждено (по зависимости параметров решетки от состава) указание Курнакова и Уразова о том, что высший силицид железа представляет собой фазу переменного состава. Однако в отличие от них он полагал, что этот силицид близок по составу к FeSi2 и плавится инконгруэнтно при 1225° С, в силу чего образует единственную эвтектику с FeSi (tпл = 1220°С).

Фрагмен, так же как и ее предшественники, изучала в своих исследованиях технические материалы. Используя рентгеновский и металлографический методы анализа, она подтвердила данные других авторов о существовании в системе Fe—Si, помимо твердых растворов кремния в железе, еще и трех силицидов (Fe3Si2, FeSi и FeSi2). Далее она показала, что твердые растворы кремния в a-железе образуются по типу замещения (с упорядоченным расположением атомов при концентрации кремния свыше 7%). Кроме того, были установлены структуры моносилицида и лебоита и отмечено, что оба они не отличаются полиморфизмом. Наконец, выяснилось, что высший силицид представляет собой фазу переменного состава (с NSi > 0,666), плавится конгруэнтно и образует, вопреки данным, не одну, а две эвтектики (с FeSi и с Si).

Влияние кремния на концентрационно-температурные условия гомогенности у-твердых растворов изучалось многими авторами. Однако, по-видимому, впервые Оберхофферу удалось показать, что с ростом содержания кремния границы устойчивости у-фазы сужаются и область его гомогенности выклинивается при 2,5% Si и 1160° С.

Следует заметить, что рассмотренные выше данные были получены на препаратах технической чистоты и с использованием не всегда достаточно совершенных методов исследования. В методическом плане большой успех был достигнут в работе Хоктона и Беккера, в которой использовались достаточно чистые (по тому времени) компоненты (99,99% Fe; 99,93% Si), обеспечивалась надежная стабилизация сплавов и применялись разнообразные методы их исследования (термические, дилатометрические, микроскопические, магнитные).

В результате изучения сплавов, содержащих от 0,5 до 99,93% Si, авторами был получен весьма обширный и надежный материал (прежде всего об особенностях линий ликвидуса и солидуса), послуживший основой диаграмм состояния системы Fe—Si, используемых в монографической и справочной литературе.

Отличительные особенности предложенной авторами диаграммы состояния видны на рис. 37 и не требуют особого пояснения.

Следует заметить, что эта диаграмма в течение длительного времени считалась достаточно надежной, по крайней мере, в той ее части, которая отражает условия равновесия твердых фазовых составляющих с расплавом. Однако в области температур ниже линии солидусa она в последние годы претерпела весьма существенные изменения и дополнения.

В частности, в противоположность в работе Грейнера и Джетта было показано, что n-фаза устойчива лишь между 830 и 1030° С.

Далее, Осава и Мурата описали новую высокотемпературную а"-фазу, устойчивую в области температур от 1030 до 1195° С. Условия образования и ее особенности затем подробно изучались в работах. При этом было показано, что а"-фаза содержит примерно 20,4% Si. Кроме того, выяснилось, что состав и строение n-фазы правильнее описывать формулой Fe5Si3.

Существенные уточнения были затем внесены и в условия образования высших силицидов железа. В частности, в результате работ Агеева и соавторов, Серебренникова и особенно Абрикосова и Струкова выяснилось, что высокотемпературный лебоит (ea-фаза) примерно при 920° С претерпевает эвтектоидный распад на низкотемпературный лебоит (eв-фаза), близкий по составу к стехиометрическому дисилициду, и кремний. В свою очередь ев-фаза устойчива лишь до температуры, близкой к 995° С, при которой происходит ее перитектоидный распад на еа-фазу и моносилицид.

Весьма интересные данные были получены и в отношении особенностей строения твердых растворов кремния в a-Fe, характера образующейся при этом а'-фазы и условий ее сосуществования с другими фазовыми составляющими. По-видимому, впервые на необходимость рассмотрения упорядоченного твердого раствора как самостоятельной фазы обратили внимание Осава и Мурата. При этом они, с одной стороны, отмечали, что области гомогенности а- и a'-фаз разделены узкой концентрационной двухфазной областью, а с другой, — предполагали, что при 1250° С они участвуют в перитектической реакции:

В последующем этот круг вопросов стал предметом оживленной дискуссии, с особой остротой развернувшейся в последние пять лет. Соответствующий материал будет изложен ниже. Пока же приведем вариант диаграммы состояния системы Fe—Si, в наибольшей мере учитывающей работы, опубликованные к 1965 г. (рис. 38). Он учитывает существование в системе a'-, a(b)- и у-твердых растворов, а также a"-, n-, е-, eв- и еа-промежуточных фаз и твердого раствора железа в кремнии.

Работы последнего десятилетия, естественно, требуют внесения в эту диаграмму ряда уточнений, характер которых будет более обстоятельно обсужден ниже. Здесь же отметим лишь, что в конце 1968 г. появился новый вариант диаграммы состояния системы Fe—Si (рис. 39), частично учитывающий результаты исследования твердых растворов кремния в железе, а также предполагающий, что открытая а"-фаза в действительности представляет собой конгруэнтно плавящийся силицид Fe2Si (на вероятности существования которого настаивали авторы). Диаграмма же состояния Beферса нами специально обсуждаться не будет в связи с наличием в ее высококремнистой части грубых промахов, делающих ее противоречащей законам термодинамики.


Имя:*
E-Mail:
Комментарий: