Диаграмма состояния и фазовые составляющие силицида Fe2-Si (а"-фаза)

Впервые существование в системе Fe—Si а"-фазы обнаружили Осава и Мурата. По их мнению, она представляет одну из сверхструктур a-твердого раствора, концентрационные границы которой простираются от 12,6 до 20,4% Si.

Позднее это предположение, основанное на результатах микроскопических и дилатометрических исследований, было подтверждено Фарка и соавторами рентгенографически. Изучая рентгенограммы сплавов, содержащих 19,5 и 20,0% Si, подвергнутых закалке от температур, меняющихся от 1075 до 1175° С, они обнаружили раздвоение рефлексов, указывающее на присутствие двух фаз с идентичной структурой, но разными концентрациями кремния. Исследование периодов идентичности решетки показало, что одной из фазовых составляющих является насыщенный кремнием а'-твердый раствор, содержащий 18,25% Si (см. рис. 38), в то время как второй является а"-фаза (с 20,4% Si). Закалка же сплавов, содержащих 23,1; 25,0 и 27,5% Si, обнаружила, помимо а"-фазы, еще и е-фазу.

Анализ зависимости межплоскостных расстояний а"-фазы от состава сплава привел авторов к выводу, что она обладает относительно узкой концентрационной областью гомогенности (-0,4—0,6%), в пределах которой с ростом NSi период решетки убывает от 2,8089 до 2,8077А.

Обращает на себя внимание тот факт, что состав а"-фазы (20,4% Si) хорошо согласуется, с одной стороны, с верхней концентрационной ее границей, установленной в исследовании, а с другой, — с указываемым в работе Джетта и Грайнера пределом растворимости кремния в а'-фазе. Очевидно, в последней работе а"-фазу идентифицировали с насыщенным a'-раствором.

Попытки микроскопического обнаружения а"-фазы, предпринятые Харстом и Рилеем, не увенчались успехом. При этом отмечаются три возможные причины отрицательного результата: 1) в изученных технических сплавах, содержащих 0,5% Mn, 0,3% С и 0,5% Р, a"-фаза может быть неустойчива; 2) закалкой нельзя предупредить распад а"-фазы или 3) металлографические методы не обеспечивают установления различия в близких по составу и свойствам а' и а"-фазах.

В связи с этим большой интерес представляют высокотемпературные исследования различных физических свойств подобных сплавов. Одно из них было выполнено Гугенгеймером и соавторами, изучавшими магнитные свойства фазовых составляющих железокремнистых сплавов, В этой работе было показано, что фаза в переохлажденном состоянии ферромагнитна и характеризуется точкой Кюри, близкой к 270° С. Кроме того, выяснилось, что она содержит примерно 20,8% Si и ее состав может быть описан формулой Fe21Si11 (т. е. очень близкой к Fe2Si). При меньших содержаниях кремния она сосуществует с а'-фазой, а при больших — с е-фазой.

Имеются основания полагать, что а"-фаза устойчива лишь в узком интервале температур: от 1020°С до температуры плавления (или близкой к ней).

Как было показано Хоктоном и Беккером, n-фаза в системе Fe—Si образуется по перитектоидной реакции при 1030° С. Это обстоятельство затрудняет термографическое исследование условий разложения а"-фазы. Однако Хоктону в специально поставленных экспериментах удалось показать, что «точки термической кривой ниже в богатой части», чем в области сосуществования n- и е-фазы. Это обстоятельство и было использовано при построении рис. 38, согласно которому образование n-фазы имеет место при 1030° С, а эвтектоидное разложение a"-фазы — при 1020° С.

Большие трудности возникли с установлением условий образования а"-фазы. Фарка и соавторы обсуждали четыре возможных варианта, схематически описанных на рис. 48. Однозначный выбор одного из трех последних (первый а маловероятен) требовал дополнительных и прецизионных сведений о концентрационных зависимостях линий ликвидуса и солидуса, которые в течение длительного времени отсутствовали. В связи с этим использованный для построения рис. 38 перитектоидный вариант образования а"-фазы в известной мере был априорен и ждал дополнительного обоснования.

В этой связи особый интерес представляют недавно выполненные Кестером и Годекке термические и металлографические исследования Fe, Si-сплавов, содержащих от 30 до 40% (ат.) Si. Полученные результаты использовались авторами при построении диаграммы состояния, представленной на рис. 39. Выяснилось, что а"-фаза (или в обозначении Fe2Si) плавится конгруэнтно при 1215° С. В связи с этим участок диаграммы состояний вблизи этого соединения, примыкающий к линиям солидуса и ликвидуса, приобретает вид, соответствующий схеме г, предложенной Фарка и соавторами (см. рис. 48). Оказалось, далее что Fe2Si образует с твердыми растворами кремния в железе и с е-фазой две эвтектики [tэ,1 = 1190° С; NSi,1,э — 32% (ат.) Si и tэ,2 = 1202°С; NSi,2,э = 35,3% (ат.) Si]. Согласно данным, Fe2Si (а"-фаза) эвтектоидно распадается не при 1020° С, как указывалось другими авторами, а при 1040° С, причем ее закалка не предупреждает развития этого процесса. В связи со сказанным результаты предшествующих исследований, по-видимому, следует относить не к самой а"-фазе, а к продуктам ее распада.