Войти  |  Регистрация
Авторизация
» » Быстрозакаленные микрокристаллические материалы

Быстрозакаленные микрокристаллические материалы


Открытие возможности затвердевания металлических сплавов в аморфном состоянии не исчерпывает все положительные эффекты сверхбыстрого охлаждения расплавов.
Одним из важнейших результатов сверхбыстрой закалки является оживление идеи производства металлических листов и тонких фольг непосредственно из расплава. Признание и оценка практической ценности некоторых изобретений затягивается на многие годы. Так, еще в 1846 г. Г. Бессемером был получен патент на изготовление оловянных и свинцовых листов путем разливки расплава между двумя вращающимися валками. В 1856 г. этим методом был впервые получен кусок листа мягкой стали толщиной ~ 1 мм и длиной ~ 1 м. Основная цель этого изобретения заключалась в разработке более экономичного способа производства листов по сравнению с обычным путем изготовления слитков и их прокатки. Однако тогда еще было отмечено значительное уменьшение размера зерен у металла, охлажденного таким способом. Почти через 100 лет принцип затвердевания металла между двумя валками был вновь использован в исследованиях и в промышленном производстве аморфных и микрокристаллических материалов.
Аналогично способ установки сопла, подающего жидкий металл, в непосредственной близости от единственного охлаждающего валка для обеспечения непрерывного формования затвердевшего листа был изобретен около восьмидесяти лет назад. Это изобретение также лишь недавно было возрождено для практического применения в способах вытягивания расплава и непрерывной разливки, Сегодня непосредственное литье тонкой металла ческой ленты стало экономически выгодным процессом, обеспечивающим изменение структуры и улучшение свойств металлических материалов.
Очевидно, что эффекты быстрого затвердевания расплавов в форме листов, волокон и порошков в принципе аналогичны. Однако получение тонколистовых аморфных и кристаллических металлических материалов непосредственно из расплавов превратилось сегодня в сферу захватывающей исследовательской и производственной деятельности. Эта технология рано или поздно станет весьма обычной, поскольку ее можно применить практически ко всем материалам, из которых требуется изготовить тонкие листы.
В табл. 6 перечислены сплавы, из которых быстрой закалкой были получены микрокристаллические ленты.
Быстрозакаленные микрокристаллические материалы

Количество и - разнообразие исследованных сплавов, различие получаемых микроструктур, фаз и в итоге уровня и сочетания свойств показывают практическую ценность метода сверхбыстрого охлаждения и в проблеме создания новых кристаллических материалов и производства изделий из них (листа, ленты, фольги и т. д.).
Все методы высокоскоростного литья листов и лент сходны в том, что расплав находится в контакте с одним или двумя эффективными участками теплоотвода и получаемый материал имеет малую толщину, по крайней мере, в одном измерении. Несмотря на конечную скорость теплоотвода, при толщине получаемых лент от 20 до 100 мкм скорость охлаждения достигает 10в4—10в6 °С/с. Такие высокие скорости закалки оказывают разнообразные воздействия на структуру, микроструктуру и свойства материалов. Эффекты быстрого затвердевания сплавов и диапазоны скоростей охлаждения, используемые в различных способах быстрой закалки, обобщены в табл. 1. Прямой контакт затвердевающего расплава с теплоотводящей поверхностью охладителя при сверхбыстрой закалке приводит обычно к гетерогенному зарождению центров кристаллизации. Тонкозернистый слой образуется на внутренней стороне быстрозакаленной ленты, находившейся в непосредственном контакте с закалочным блоком. С ростом переохлаждения частота зарождения центров кристаллизации увеличивается и, как следствие, уменьшается размер зерна (по сравнению с обычными литыми сплавами). Из некоторых зародышей в ленте вырастают столбчатые кристаллы. В зависимости от химического состава сплава и параметров процесса рост столбчатых кристаллов может происходить без диффузионного разделения легирующих элементов и примесей на поверхности твердая фаза — жидкость, образуя таким образом материал, свободный от сегрегаций. Бездиффузионное затвердевание протекает при условии, что переохлаждение у фронта затвердевания, по крайней мере, ниже равновесной температуры T0, при которой свободная энергия Гиббса жидкой и твердой фаз одного и того же химического состава одинакова. Необходима также достаточно большая скорость перемещения фронта кристаллизации. Механизмы бездиффузионной кристаллизации были недавно подробно рассмотрены в работе. При выполнении условия бездиффузионной кристаллизации по всей толщине затвердевающего расплава через всю образующуюся ленту прорастают столбчатые кристаллы однофазного твердого вещества (рис. 7). На ряде быстрозакаленных сплавов разного химического состава, включая сплавы на основе железа и никеля, был отмечен наклон этих столбчатых кристаллов к ведущему концу ленты на угол 5—20 градусов по отношению к нормали. Наклон столбчатых кристаллов, видимо, объясняется перетеканием переохлажденного расплава поверх растущих кристаллов. При увеличении толщины ленты подогрев ее верхних слоев за счет выделения теплоты плавления уменьшает переохлаждение у фронта затвердевания и скорость роста кристаллов. Таким образом, начальная бездиффузионная стадия затвердевания может замениться более медленной стадией с диффузионным разделением компонентов. Соответствующие переходы микроструктуры от бездиффузионных столбчатых кристаллов к зонам ячеистой, дендритной и эвтектической кристаллизации наблюдались во многих случаях быстрого затвердевания, Примером являются изменения микроструктуры быстрозакаленных лент сплавов алюминия с 25% (ат.) Cu при разном времени затвердевания расплава, показанные на рис. 8. При минимальном времени затвердевания (рис. 8, а) обнаруживаются только тонкозернистый слой зародившихся кристаллов и столбчатые кристаллы, проросшие на всю толщину ленты. При более длительном времени затвердевания в лентах обнаруживается дополнительный слой ячеистой кристаллизации (рис. 8,б, в). Размер ячейки в этом слое зависит от скорости охлаждения. С увеличением толщины литой ленты увеличивается размер ячеек. Изменение размера ячейки в зависимости от скорости охлаждения может быть выражено степенной зависимостью для большого интервала изменения скорости охлаждения (на несколько порядков). Аналогичные степенные закономерности найдены для расстояний между вторичными ветвями дендритов и меж пластиночного расстояния в эвтектиках. Экстраполяция этих зависимостей на интервал более высоких скоростей охлаждения ограничена изменением механизма образования микроструктуры. Например, диаметр столбчатых кристаллов, образовавшихся при бездиффузионной стадии кристаллизации, может быть больше диаметра ячеек в ячеистом слое, который затвердевал медленнее (рис. 8,б).
Быстрозакаленные микрокристаллические материалы

Переохлаждение, которое требуется для бездиффузионного затвердевания всей ленты, увеличивается с ростом разности между температурой ликвидуса TL и Т0. Эта разность для расплавов большинства систем возрастает при увеличении концентрации легирующих компонентов. Иными словами, при постоянных внешних условиях максимальная толщина лент, свободных от сегрегаций, уменьшается при увеличении концентрации легирующих элементов. Эта взаимосвязь может измениться на обратную по мере приближения к эвтектике. Для бездиффузионной кристаллизации эвтектического сплава (например системы Аl—Cu) необходимы меньшие переохлаждения, чем для до эвтектических низколегированных сплавов.
Бездиффузионное затвердевание эвтектики в системе Al—Cu указывает на возможность значительного расширения областей твердых растворов при сверхбыстрой закалке. Это особенно заметно на алюминиевых сплавах, так как равновесная растворимость большинства легирующих элементов в алюминии ниже температуры его плавления резко ограничена (<1% (ат.)). Как следствие, изменения модуля упругости, способности к упрочнению в процессе старения и сопротивления коррозии под напряжением обычных деформируемых алюминиевых сплавов не велики. Алюминиевые сплавы, свойства которых могут быть изменены при термообработке в широких пределах, получаются в процессе сверхбыстрой закалки, при которой в значительной степени увеличивается растворимость легирующих элементов в алюминии.
Быстрозакаленные микрокристаллические материалы

Во время быстрого затвердевания появлению новых кристаллических метастабильных фаз способствуют низкое значение свободной энергии зародышеобразования и более высокая скорость роста в сравнении с термодинамически стабильными фазами. В этом случае структура, температуры ликвидуса и солидуса и термодинамические характеристики метастабильных фаз приобретают большое значение для интерпретации и прогноза фаз, образующихся в быстрозакаленных материалах. Для получения и объяснения информации по структуре быстрозакаленных микрокристаллических сплавов следует использовать метастабильные диаграммы соответствующих систем. Примером контролируемых зародышеобразованием Изменений фаз при увеличении переохлаждения является образование метастабильных аллотропических фаз о чистых Ga и Bi, а также в сплавах Al—Mn. Мета стабильные фазы, растущие быстрее, могут доминировать в микроструктуре, так как могут быть затруднены образование зародышей и рост кристаллов стабильных фаз. Кинетическое соревнование между эвтектиками Al+Al3Fe и Al+Al6Fe при скорости роста ≥1 мм/с, например, приводит к преобладанию в микроструктуре мета стабильной эвтектики Al+Al6Fe.
В общем, основы понимания процессов быстрого затвердевания аморфных и микрокристаллических сплавов заложены и постепенно развиваются. Однако использование быстрого затвердевания все еще нуждается в значительных экспериментальных исследованиях, так как сложные взаимосвязи геометрических особенностей и условий теплоотвода, тепло- и массопереноса, стабильного и метастабильного равновесия, кинетики зарождения и роста кристаллов, изменения всех этих факторов во времени поддаются анализу только на моделях, дающих качественные и, в лучшем случае, полуколичественные зависимости.
Добавлено Serxio 4-04-2017, 10:41 Просмотров: 868
Добавить комментарий
Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent