materialovedenie1 (Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидорин, Г.Ф. Колосанов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин, Н.М. Рыжов, В.И. Силаева, Н.В. Ульянова - Материаловедение), страница 13

Плоскость затравки, соприкасающаяся с поверхностью расплава, должна иметь крисгаллографичсскую ориентацию, когорую желательно получить в растущем монокристаллс 3 для обеспечения наибольших значений тех или иных свойств. Затрашсу выдерживают в жидком металле лля оплавления и установления равновесия в системе жидкосъь кристалл. Затем затравку медленно. со скоростью, не превышающей скорости кристаллизации ( 1-2 мм/мин), удаляют из расплава. Тянущийся за затравкой жидкий металл в области более низких температур над поверхностью ванны кристаллизуется, наследуя структуру затравки.

Для получения симметричной формы растущего монокристалла и равномерного распределения примесей в нем ванна 5 с расшпвом вращается со скоростью до 100 об/мин, а навстречу ей с меньшей скоростью вращается монокрнсталл. Диаметр растущего монокристалла зависит от скорости выращивания и температуры расплава. Увеличение скорости выращивания ведет к выделению большей твплоты кристаллизации, перегреву расплава и уменьшению диаметра монокристалла, и, наоборот, уменьшение скорости вырангивания приводит к уменьшению количества теплоты крисгаллизации, понижению температуры расплава и увеличению диаметра монокрисгалла.

Очень перспективно выращивание моно- кристаллов в космосе, где удачно сочетаются глубокий вакуум н невесомость. Космиче- ский вакуум до ВЗ " Па, практически недостижимый в земных условиях, способствует значительной очистке от примесей. Вследствие того, что в невесомости силы гравитации ничтожно малы, в распланах практически не возникает конвскции, которая в зсмньп условиях вызывает нестабильность параметров роста кристаллов. Нестабильность роста, в свою очередь, служит причиной появления несовершенств кристаллического строения, неоднородности химического состава и свойств кристаллов. Отсугствие конвскцин не исключает образования микронсоднородностей, вызванных другими причинами.

Однако монокристаэльь выращенные в космосе, совершеннее по структуре, распределению лсгирующих добавок (прилгсссй) и лучше по свойсгвам, значительно больше по размерам. 2Л Аморфное состояние металлов Прн сверхвысоких скоростях охлаждения нз жидкого сосгояния ( >!Ов'С/с) диффузионные процессы настолько замсдлшотся, что подавляется образование зародышей н рост кристаллов. В этом случае прн затнердеваннн образуется аморфная структура.

Материалы с такой структурой подучнлн название аморфные сплавы илн металлические стекла. Аморфное состояние обеспечивает металлическим материалам свойства, значительно опшчаюшиеся от свойств соответствующих материалов с кристаллической структурой. Так, аморфные магннтомягкие материалы характеризуются прямоугольной петлей гнстерезиса, высокой магнитной проницаемостью н очень малой коэрцнтивной силой.

Прн этом магнитные свойства материала малочувствительны к механическим воздействиям на него. Получены аморфные материалы н с высокой магнитной энергией. Удельное электрическое сопротивление аморфных металлических материалов в 2 — 3 раза выше, чем у аналогичных сплавов с крнсташгической структурой. Аморфные металлические материалы удачно сочетают высокие прочность, твердость н износостойкость с хорошей пласт нчносгью срармирааание структуры литых материалов 45 и коррозионной стойкостью.

Большое практическое значение имеет также и возможность получения аморфных металлов в внле ленты, проволоки диаметром несколько микрометров непосредственно при лнзье, минуя такие дорогостоящие операции, как ковка, прокатка, волочение, промежуточные отжиги, зачистки, травление. Затвердевание с образованием аморфной структуры пригщипиально возможно практически для всех металлов. В настоящее время аморфная структура получена у более чем 20 чистых металлов и полупроводниковых материалов и более ПО сплавов. Это сплавы легкоплавких (РЬ, Яп, А! и др.), редкоземельных и переходных (Ге, Со, Мп, Сг и др.) металлов„ Для образования аморфной струкгуры переходных металлов к пим необходимо добавлять так называемые аморфообразующие элементы (С, Р, В, Х, В и др.).

При этом состав аморфного сплава должен отвечать формуле МеоХга где М один или несколько переходных металлов; Х вЂ” элементы, добавляемые для образования и стабилизации аморфной структуры. Так, известны аморфные сплавы, состав которых отвечает формулам Ре„ Р, В; ЕетаСгсоРмВл; о(глабха, Гела%4аБ~4В4 и др. Сверхвысокие скорости охлаждения жидкого металла (>104'С/с) для получения аморфной структуры можно реализовать такими способами, как катапультирование капли па холодную пластину, центрифугирование капли или струи, распыление струи газом илн жидкостью с высокой охлаждающей способностью и др.

Наиболее эффективными способами получения лент, пригодных для практического применения, считают охлаждение жидкого металла на внешней или внутренней поверхностях вращающихся барабанов, изготовленных из материалов высокой теплопроводносги, прокатку между холодными валками металла, подаваемого в виде струи. Тонкий слой аморфного металла получают при расплавлении поверхности изделий лазерным лучом благодаря быстрому отводу теплоты при эатвердевании массой основного металла. Металлические материалы с аморфной структурой можно получить не только при затвердевании из жидкого состояния, но и путем сверхбыстрого охлаждения из газовой среды (парообразного или ионнзнрованного состояния), электролизом и катодным распылением с высокими скоростямн осаждения.

1'зава 3. ВЛИЯИИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ИА РАВИОВЕСИМО СТ)'3 КТИР3 СПЛАВОВ Сплавы состоят из двух и более элементов периодической системы. Элементы, образующие сплав, называзот компонентами. Свойства сплава зависят от многих факторов, по прежде всего онн опрелеляются составом фаз и их количественным соотношением. Эти сведения можно получить из анализа диаграмм состояния, изучению которых посвящена данная глава. Зная диаграмму состояния, можно представить полную картину формирования структуры любого сплава, определить оптимальную температуру заливки сплава для получения литых деталей, оценить жидкотекучесть выбранного сплава и возможность получения химической неоднородности, сделать заключение о возможности и условиях обработки давлением.

Диаграммы состояния позволяют определить режим термической обработки, необходимый для ланиозо сплава. 3.1. Методы иостроетвш диаграмм состояния Экспериментальное построение диаграмм состояния возможно благодаря тому, что любое фазовае превращение сплава отмечается изменением физико- механических свойств (электрасопротивления, удельных объемов и др.) либо тепловым эффектам. Переход сплава из жидкого состояния в твердое сопровождается значительным выделением теплоты, поэтому, измеряя температуру при нагреве или охлажлении в функции времени„можно по перегибам или остановкам на кривых охлаждения определить критические температуры, при которых происходят фазовые превращения.

Для того чтобы зафиксировать превращения в твердом состоянии, сопровождаемые малыми тепловыми эффектами, обычно наблюдают за какой-либо физической величиной, значительно изменяющейся при фазовых превращениях (электрические, магнитные и другие свойства). На рис. 3.1 приведена зависимость ллины железного образца от температуры. При земпературе 911'С наблюдается уменьшение длины образца, по указывает на переход желша из олного фазового состояния в другое, а при температуре 1392'С отмечается новое превращение. Эти физические эффекты свидетельствуют о фазовых превращениях, не раскрывая атомного строения этих фаз. Диаграммы состояния строят в координатах температура-.

химический состав сплава. Для экспериментального построения диаграммы состояния сплавов, образованных компонентами А и В, необходимо изготовить серию сплавов с различным содержанием компонентов А и В. Для каждого сплава экспериментально определяют критические точки, т. е. т.емнературы фазовых превращений. Полученные значения температуры Рве. 3.1. Схема изменения длины железного образца в зависимости от температуры на- грева Влияние химического состава яа раеяаеесную структуру сяяаеае 47 х Д ВЗЬ В Ряс.

3.2. Схема построения диаграммы со- стояния откладывают на вертикальных линиях в соответствии с химическим составом сплавов. Соединяя критические точки, получают линии диаграммы состояния. Одна из простейших диаграмм состояния приведена на рнс. 3.2, где линия лнквндус †геометрическ место всех точек, которые определяют температуру начала кристаллизации сплавов («ликва» по латыни означает жидкий).

Линия солндус соответствует точкам, определяющим температуру конца кристаллизации сплавов («солнд» вЂ” твердый). Эти линии разделяют диаграммы состояния на области с различным фазовым составом. Положение линий на диаграмме зависит от скорости охлаждения сплавов, поэтому температуры критических точек при построении диаграмм состояния определяют при медленных охлаждениях илн нагревах. Такие диаграммы называют равновеснымн. Таким образом, диаграмма состоянии представляет собой графическое изображение фазового состава сплавов данной системы в функции температуры и химического состава сплавов. Левая крайняя точка на горизонтальной оси соответствует !00%-ному содержанию одного компонента Процентное содержание второго компонента откладывается по этой оси слева направо.

Правая крайняя точка соответствует 100% второго компонента. Экспериментально построенные диаграммы состояния проверяют по правилу фаз, дающему возможность теоретически обосновать на- правление протекания процессов преврагцения для установления равновесного состояния системы. Общие закономерности существования устойчивых фаз, отвечающих условиям равновесия, могут быль выражены в математической форме, называемой правилом фаэ (Гиббса). Правило фаз дает возможность предсказать и проверить процессы, происходящие в сплавах при нагреве и охдаждении; оно показывает, происходит ли процесс кристаллизации при постоянной температуре илн в интервале температур, н указывает, какое число фаз может одновременно существонать в системе.