CC BY
3
https://doi.org/10.21122/1683-6065-2023-4-30-32 Поступила 0910.2023
УДК 621.745.35 Received 0910.2023
НАНОСТРУКТУРНЫЕ ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ
ПРИ ЭВТЕКТОИДНЫХ РЕАКЦИЯХ БИНАРНЫХ СПЛАВОВ
Е. И. МАРУКОВИЧ, В. Ю. СТЕЦЕНКО, Ассоциация литейщиков и металлургов Республики Беларусь, г. Минск, Беларусь, ул. Я. Коласа, 24. E-mail: [email protected]
А. В. СТЕЦЕНКО, МОУВО «Белорусско-Российский университет», г. Могилев, Беларусь, пр. Мира, 43
Показано, что эвтектоидные реакции бинарных сплавов являются наноструктурными процессами. Основная фаза, которая распадается при эвтектоидной реакции, образуется при кристаллизации металлического расплава эвтек-тоидного состава. Этот процесс является наноструктурным. В нем основными элементами микрокристаллов служат нанокристаллы компонентов сплава. При эвтектоидной реакции происходит распад микрокристаллов основной фазы на нанокристаллы. Из них формируются микрокристаллы двух других фаз.
Ключевые слова. Бинарные сплавы, эвтектоидная реакция, наноструктурные процессы, нанокристаллы, микрокристаллы фаз.
Для цитирования. Марукович, Е. И. Наноструктурные фазовые превращения при эвтектоидных реакциях бинарных сплавов /Е. И. Марукович, В. Ю. Стеценко, А. В. Стеценко // Литье и металлургия. 2023. № 4. С. 30-32. https://doi.org/10.21122/1683-6065-2023-4-30-32.
NANOSTRUCTURAL PHASE TRANSFORMATIONS IN EUTECTOID REACTIONS OF BINARY ALLOYS
E.I. MARUKOVICH, V. Yu. STETSENKO, Association of Foundrymen and Metallurgists of Belarus,
Minsk, Belarus, 24, Ya. Kolas str. E-mail: [email protected]
A. V. STETSENKO, Belarusian-Russian University, Mogilev, Belarus, 43, Mira ave.
It is shown that eutectoid reactions of binary alloys are nanostructural processes. The main phase, which decays during the eutectoid reaction, is formed during the crystallization of a metal melt of eutectoid composition. This process is nanostructured. In it, the main elements of microcrystals are the nanocrystals of the alloy components. During the eutectoid reaction, the micro-crystals of the main phase disintegrate into nanocrystals. Microcrystals of the other two phases are formed from them.
Keywords. Binary alloys, eutectoid reaction, nanostructural processes, nanocrystals, microcrystals of phases. For citation. Marukovich E. I., Stetsenko V. Yu., Stetsenko A. V. Nanostructural phase transformations in eutectoid reactions of binary alloys. Foundry production and metallurgy, 2023, no. 4, pp. 30-32. https://doi.org/10.21122/1683-6065-2023-4-30-32.
Эвтектоидные реакции непосредственно определяют структуру и свойства отливок бинарных сплавов. Наиболее показательными являются железоуглеродистые сплавы. В них от феррита и цементита во многом зависят структура и свойства отливок.
В общем виде эвтектоидную реакцию сплавов системы А - В можно представить следующим образом:
Ymk = амк +Рмк , (1)
где умк - микрокристаллы фазы, полученные при кристаллизации металлического расплава эвтектоид-ного состава; амк - микрокристаллы фазы, содержащие больше компонента А; Рмк - микрокристаллы фазы, содержащие больше компонента В.
Микрокристаллы фаз представляют собой дендритные кристаллы, причем у мк и амк обычно являются твердым раствором, а Рмк может быть как твердым раствором, так и соединением типа AnBm . Примером могут служить микрокристаллы аустенита, феррита и цементита при эвтектоидной реакции железоуглеродистых сплавов.
Принято считать, что при эвтектоидной реакции у мк распадается на атомы, из которых статистически по диффузионному механизму образуются центры формирования амк и Рмк . При этом основными строительными элементами микрокристаллов фаз служат атомы компонентов А и В [1-3]. Но в этом случае эвтектоидная реакция (1) должна проходить очень медленно и с поглощением тепла, поскольку
ЛИТЬЕ И МЕТАЛЛУРГИЯ 4 2023
31
удельная теплота атомизации намного превышает удельную теплоту кристаллизации и эвтектоиднои реакции [4]. Реально эвтектоидные реакции проходят относительно быстро и с выделением тепла.
Объяснить процессы, происходящие при эвтектоидных реакциях, можно с позиции наноструктурной кристаллизации сплавов [5, 6]. При плавлении сплавы, состоящие из компонентов А и В, распадаются на элементарные нанокристаллы А>н, Вэн и свободные атомы Аа и Ва [7]. Из них формируются микрокристаллы у мк.
Если амк и Рмк являются твердыми растворами, то процесс кристаллизации у1мк происходит следующим образом. Сначала образуются структурообразующие нанокристаллы у1 - фазы (у1сн):
А1эн + В1эн + А1а + В1а = У1сн . (2)
Затем формируются центры кристаллизации у1 - фазы (у1цк ) :
У1сн + А1а + В1а =У1цк . (3)
Завершается процесс кристаллизации образованием микрокристаллов у1 - фазы (у1мк):
У1цк + У1сн + А1а + В1а = У1мк . (4)
Чтобы при эвтектоидной реакции образовались а1мк и р1мк, у1мк должны разделиться на компоненты:
У 1мк = А2эн + В2эн + А2а + В2а . (5)
Эта реакция происходит с поглощением тепла, равного Ql, которое значительно меньше теплоты атомизации у1мк . Микрокристаллы а^ и Р1мк образуются в результате эвтектоидной реакции:
У1мк =а1мк +в1мк . (6)
При этом процесс формирования а1мк происходит следующим образом. Сначала образуются структурообразующие нанокристаллы а1 - фазы (а1сн) :
А3эн + А3а + В3эн + В3а = а1сн . (7)
Затем формируются центры кристаллизации а1 - фазы (а1цк ) :
а1сн + В3а + А3а = а1цк . (8)
Заканчивается процесс образованием микрокристаллов а1 - фазы:
а1цк + а1сн + А3а + В3а = а1мк . (9)
При этом формирование а1мк происходит с выделением тепла, равного Q2 .
Образование Р1мк происходит следующим образом. Сначала образуются структурообразующие нанокристаллы Р1 - фазы (Р1сн):
А4эн + А4а + В4эн + В4а = в1сн . (10)
Затем формируются центры кристаллизации Р1 - фазы (р^ ) :
в1сн + А4а + В4а =Р1цк . (11)
Заканчивается процесс формированием микрокристаллов Р1 - фазы:
в1цк +в1сн + А4а + В4а =в1мк . (12)
При этом образование р^ происходит с выделением тепла, равного Q3, причем Q2 + Q3 > Q1. Процесс эвтектоидной реакции (6) идет с выделением тепла и относительно быстро, поскольку основными строительными элементами микрокристаллов а^ и р^ служат не атомы, а нанокристаллы. В реакциях (7)-(12): А3эн > А4эн ; В4эн > В3эн ; А3а > А4а ; В4а > В3а .
Если амк является твердым раствором, а Рмк - соединением типа АпВт, то процесс кристаллизации У2мк происходит следующим образом. Сначала формируются структурообразующие нанокристаллы у 2 - фазы (у2сн ) :
А5эн + В5эн + А5а + В5а + (АпВт )м = У2сн, (13)
где (АпВт )м - молекулярные комплексы.
Затем образуются центры кристаллизации у2 - фазы (у2цк ) :
У 2сн + А5а + В5а +(АпВт )м =У2цк . (14)
Заканчивается процесс кристаллизации формированием микрокристаллов у 2 -фазы:
У 2цк + У 2сн + A5a + B5a + (AnBm )м =Y2MK
Чтобы при эвтектоидной реакции образовались микрокристаллы а2мк и P2MK = (AnBm) , у2мк должны разделиться на следующие компоненты:
Y2MK = Аэн + B63H + Aa + B6a + (AnBm )м . (16)
Этот процесс происходит с поглощением тепла, равного Q4, которое значительно меньше теплоты атомизации у2мк . Микрокристаллы а2мк и Р2мк образуются в результате эвтектоидной реакции:
У2мк =а2мк +Р2мк . (17)
При этом процесс формирования а2мк происходит следующим образом. Сначала образуются структурообразующие нанокристаллы а2- фазы (а2сн) :
Аэн + A7 a + Bl3H + B7 a + (AnB (18)
Затем формируются центры кристаллизации а2 - фазы (а2цк ) :
а2сн + A7a + B7a + (AnBm )м = а2цк . (19)
Заканчивается процесс образованием микрокристаллов а2 - фазы:
а 2цк + а2сн + A7a + B7a + (AnBm )м =а2мк
При этом формирование а2мк происходит с выделением тепла, равного Q5.
Образование Р2мк происходит следующим образом. Сначала формируются структурообразующие нанокристаллы Р2 - фазы (Р2сн):
Лэн + B8эн + A8a + B8a + (AnBm )м = в2сн . (21)
Затем образуются центры кристаллизации Р2 - фазы (в2цк):
Р2сн + A8a + B8a + (AnBm )м = ?2цк . (22)
Заканчивается процесс формированием микрокристаллов Р2 - фазы:
в2цк + Р2сн + A8a + B8a + (AnBm )м = в2мк . (23)
При этом образование Р2мк происходит с выделением тепла, равного Q6, причем Q5 + Q6 > Q4 . Процесс эвтектоидной реакции (17) идет с выделением тепла и относительно быстро, поскольку основными строительными элементами микрокристаллов а2мк и Р2мк служат не атомы, а нанокристаллы. В реакциях (18)-(23): ^н > A8эн ; ^эн > B7эн ; A7a > A8a ; B8a > B7a .
Таким образом, фазовые превращения при эвтектоидных реакциях бинарных сплавов являются на-ноструктурными процессами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лившиц, Б. Г. Металлография: учеб. для вузов / Б. Г. Лившиц. - М.: Металлургия, 1990. - 236 с.
2. Металловедение: учеб. / И. И. Новиков [и др.]. - М.: Изд. Дом. МИСиС, 2009. - 496 с.
3. Гуляев, А. П. Металловедение: учеб. для вузов / А. П. Гуляев. - М.: Металлургия, 1986. - 544 с.
4. Свойства элементов. Ч. 1. Физические свойства; под ред. Г. В. Самсонова. - М.: Металлургия, 1976. - 600 с.
5. Марукович, Е. И. Наноструктурная кристаллизация литейных сплавов / Е. И. Марукович, В. Ю. Стеценко, А. В. Стецен-ко // Литье и металлургия. - 2022. - № 3. - С. 13-19.
6. Марукович, Е. И. Наноструктурная перекристаллизация железоуглеродистых сплавов / Е. И. Марукович, В. Ю. Стеценко, А. В. Стеценко // Литье и металлургия. - 2022. - № 3. - С. 27-29.
7. Марукович, Е. И. Наноструктурная теория металлических расплавов / Е. И. Марукович, В. Ю. Стеценко // Литье и металлургия. - 2020. - № 3. С. 7-9.
REFERENCES
1. Livshic B. G. Metallografiya [Metallography]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1990, 236 p.
2. Novikov I. I., Zolotorevskij V S., Portnoj V. K.Metallovedenie [Metallology]. Moscow, Izd. Dom. MISiS Publ., 2009, vol. 1, 496 p.
3. Gulyaev A. P. Metallovedenie [Metallology]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1986, 544 p.
4. Samsonov G. V. Svojstva elementov. Ch. 1. Fizicheskie svojstva [Properties of elements. Part 1. Physical Properties]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1976, 600 p.
5. Marukovich E. I., Stetsenko V. Yu., Stetsenko A. V. Nanostrukturnaya kristallizaciya litejnyh splavov [Nanostructural crystallization of foundry alloys]. Lit'e i metallurgiya = Foundry production and metallurgy, 2022, no. 3, pp. 13-19.
6. Marukovich E. I., Stetsenko V. Yu., Stetsenko A. V. Nanostrukturnaya perekristallizaciya zhelezouglerodistyh splavov [Nano-structured recrystallization of iron-carbon alloys]. Lit'e i metallurgiya = Foundry production and metallurgy, 2022, no. 3, pp. 27-29.
7. Marukovich E. I., Stetsenko V. Yu. Nanostrukturnaya teoriya metallicheskih rasplavov [Nanostructured metal melt theory]. Lit'e i metallurgiya = Foundry production and metallurgy, 2020, no. 3, pp. 7-9.
