Материал: Методические указания к выполнению лабораторных работ № 3, 4 по дисциплине «Материалы электронной техники». Новокрещенова Е.П

L_D + β_F ↔ α_C + β_F. (10)

После окончания кристаллизации (точка 2 ′) сплав III имеет двухфазную структуру α_C + β_F. Эта структура имеет некоторое сходство с эвтектикой Е = α + β, состоящей из чередующихся между собой пластин или зерен α– и β– фаз. Особенность перитектической структуры состоит в том, что зерна β–фазы (сердцевина) окружены оболочкой из α–фазы (рис. 19 в). [перитектос (греч.) – структура окружения)]. Скорость протекания перитектической реакции, в отличие от эвтектической реакции, весьма мала. Причина состоит в том, что новая твердая фаза, формируемая на межфазной границе жидкость/кристалл, создает диффузионный барьер, подавляющий дальнейший рост новой фазы. Перитектические реакции встречаются реже, чем эвтектические и эвтектоидные.

2.9. Диаграмма состояния сплавов, образующих химические соединения (4-го рода)

Исходные данные:

• компоненты: А, В (K = 2);

• оба компонента неограниченно растворимы в жидком состоянии, а в твердом состоянии растворимость отсутствует (нет твердых растворов);

• твердые фазы: А, В и А_nВ_m;

• А_nВ_m – химическое соединение в котором на n+m атомов соединения приходится n атомов А и m атомов В;

• химическое соединение А_nВ_m образует механические смеси с компонентами А и В.

По соотношению составов химического соединения и жидкой фазы, образующейся при плавлении этого соединения, соединения можно разделить на стойкие и нестойкие . Соединения. для которых эти составы совпадают, называются конгруэнтно-плавящимися , или стойкими. Если указанные составы не совпадают, соединения называются инконгруэнтно-плавящимися, или нестойкими.

Химическое соединение А_nВ_m называется устойчивым (конгрунтно-плавящимся), если оно не диссоциирует при нагреве до температуры плавления. Следовательно, это соединение можно рассматривать как третий компонент сплава. Диаграмма состояния сплавов, образующих устойчивое химическое соединение, показана на рис. 20. На этой диаграмме химическое соединение отображается вертикальной линией, проходящей через точку на оси концентрации, соответствующую соотношению компонентов в химическом соединении А_nВ_m. Точка С соответствует температуре плавления химического соединения, она находится на ликвидусе, а ликвидус имеет максимум, соответствующий составу соединения А_nВ_m .

Данную диаграмму следует рассматривать как две диаграммы состояния для сплавов, образующих механические смеси чистых компонентов (1-го рода) (см. п. 2.3, рис. 7): первая – для системы А – А_nВ_m и вторая – для системы В – А_nВ_m. На диаграмме имеются две эвтектические точки Е₁ и Е₂. В этих точках из жидкости при температурах T_E1 и T_E2 образуется две эвтектические смеси, соответственно

Е₁ = A + А_nВ_m, Е₂ = B + А_nВ_m.

Рис. 20. Диаграмма состояния сплавов, образующих устойчивое химическое соединение

В результате после окончания затвердевания в структуру сплавов кроме чистых компонентов будут входить две эвтектики Е₁ и Е₂. Качественный и количественный анализ сплавов проводится как обычно. Если компоненты А и В образуют между собой не одно, а два или более химических соединений, то диаграмма состояния будет состоять не из двух, а из (N + 1) простых диаграмм для механических смесей, где N – число химических соединений в данной системе. На рис. 21 приведена диаграмма состояния серебро- стронций. Данная система имеет четыре интерметаллидных соединения. Она состоит из пяти простых диаграмм состояния для систем, образующих механические смеси чистых компонентов (1-го рода). Каждая диаграмма имеет свою эвтектику. Все диаграммы соединены между собой последовательно, образуя набор диаграмм для систем Ag – SrAg₅, SrAg₅ – Sr₃Ag₅ и т. д.

В некоторых системах компоненты А и В образуют ограниченные твердые растворы α = А(В) и β = В(А) на основе чистых компонентов, а также твердые растворы на основе химического соединения. Диаграмма состояния такой системы представлена на рис. 22. Она представляет собой сдвоенную диаграмму состояния для сплавов, образующих ограниченные твердые растворы (3-го рода). На границе, соответствующей стехиометрическому составу химического соединения, появляется однофазная область существования твердого раствора на основе данного соединения (γ–фаза, которая называется областью гомогенности).

Диаграмма состояния с образованием инконгруэнтно-плавящегося химического соединения изображена на рис. 23. Плавление таких соединений идет как превращение перитектического типа при нагреве, т. е. твердая фаза исчезает при плавлении, распадаясь на две новые фазы: жидкую и твердую, составы которых лежат по обе стороны состава исходного соединения.

Температура плавления инконгруэнтно- плавящегося химического соединения лежит ниже линии ликвидуса, в результате чего ликвидус не имеет максимума, связанного с составом соединения. Разбивать диаграмму состояния с нестойким соединением на частные диаграммы, принимая это соединение за компонент системы, нельзя.

Рис. 21. Диаграмма состояния системы серебро–стронций, в которой образуется 4 интерметаллидных соединения.

Рис. 22. Диаграммы состояния с твердым раствором на основе конгруэнтно-плавящегося химического соединения

Рис. 23. Диаграмма состояния с инконгруэнтно-плавящимся химическим соединением

Соединения с широкой областью гомогенности широко распространены в полупроводниковых и металлических системах. Они разделяются на две группы: дальтониды и бертоллиды.

Дальтониды – соединения с широкой областью гомогенности - характеризуются тем, что соединение формульного состава находится внутри области гомогенности ( рис. 22 и 23); общим для диаграмм с дальтонидными фазами является присутствие сингулярной точки на кривых ликвидуса и солидуса, состав в которой отвечает дальтониду и простым стехиометрическим соотношениям компонентов. На диаграмме состав – свойство формульному составу соединения соответствует экстремальное значение свойств.

Бертоллиды характеризуются тем, что соединение формульного состава лежит вне области гомогенности (рис. 24). Это означает, что соединения бертоллидного типа формульного состава не существует. На диаграмме состав – свойство в пределах составов, отвечающих области гомогенности, свойства изменяются монотонно.

Рис. 24. Диаграммы состояния с образованием бертоллидов

2.10. Диаграмма состояния сплавов с полиморфными превращениями

Если один или оба компонента сплава обладают полиморфизмом (способностью изменять тип решетки при изменении температуры), то при охлаждении жидкого сплава сначала будут выделяться кристаллы первичных фаз (первичная кристаллизация), а при достижении температур полиморфного превращения будут формироваться вторичные фазы (вторичная кристаллизация). В результате диаграмма состояния будет состоять из двух частей: верхней, соответствующей первичной кристаллизации, и нижней – вторичной.

Рассмотрим два типа диаграмм состояния сплавов, компоненты которых испытывают полиморфные превращения.

1. Если компоненты А и В имеют по две модификации, причем А_α и В_α, так же как и А_β и В_β, изоморфны (одинаковый тип решеток) и образуют непрерывный ряд твердых растворов, то диаграмма состояния имеет вид, показанный на рис. 25а. Видно, что она яв-

ляется ≪двухэтажной≫ и построена из двух диаграмм состояния сплавов, образующих неограниченные твердые растворы (см. п. 2.4). Верхняя часть диаграммы соответствует образованию высокотемпературного твердого раствора β = А_β(В_β), и нижняя – образованию низкотемпературного твердого раствора α = А_α(В_α).

2. Если высокотемпературные модификации неограниченно взаимно растворимы друг в друге, а низкотемпературные модификации ограниченно растворимы друг в друге, то диаграмма состояния будет иметь вид, показанный на рис. 25б. Она представляет собой сочетание диаграмм состояния 2-го и 3-го рода (см. рис. 10 и рис. 15).

При температуре, соответствующей линии CЕD (рис. 25б) происходит распад высокотемпературного β–твердого раствора с одновременным выделением α′ и α″ – твердых растворов:

β→ α′ + α″ ,

где α′ = А_α(В_α), α″ = В_α (А_α). Превращение протекает аналогично кристаллизации эвтек-

тики, но исходной фазой является не жидкость, а твердый раствор. В отличие от кристаллизации эвтектики из жидкости, данное превращение называют не эвтектическим, а эвтектоидным, а смесь полученных кристаллов называют эвтектоидом.

а

б

Рис. 25. Диаграмма состояния сплавов с полиморфными превращениями

Превращение, аналогичное перитектическому, но с участием только твердых фаз, называется перитектоидным.

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

Задание 1. Анализ диаграммы состояния висмут–кадмий

Цель работы – 1) ознакомиться с диаграммой состояния сплавов Bi-Cd - рис. 26;

Е Bi Е Cd

E = Bi + Cd

80 % Bi + 20 % Cd 60 % Bi + 40 % Cd Cd 20 % Bi + 80 % Cd

80 % Bi + 20 % Cd 60 % Bi + 40 % Cd

Рис. 26. Диаграмма состояния и микроструктура сплавов Bi-Cd

2) ознакомиться с микроструктурой доэвтектического, эвтектического и заэвтектического сплавов Bi-Cd;

3) используя правило отрезков и правило рычага, определить концентрацию Cd в жидкой и твердой фазах в двухфазных областях, а также массовую долю этих фаз.

1. Укажите, какие линии присутствуют на диаграмме.

2. Укажите фазы данной системы.

3. К какому типу диаграмм относится данная диаграмма состояния?

4. Объясните, как формируются в процессе охлаждения структуры эвтектиче- ского, доэвтектического и заэвтектического сплавов.

5. Что такое эвтектика, эвтектическая концентраци, эвтектическая температура?

6. Запишите эвтектическую реакцию.

7. Что называется структурными составляющими сплава?

8. Используя микрофотографии сплавов Bi-Cd (Рис. 26):

• зарисовать схемы микроструктур сплавов I, II и III (20 %; 40 %; 80 % Cd);

• указать структурные составляющие каждого сплава;

  • в сплавах I и II определить характерный размер зерен первичных кристаллов Bi и глобул Bi и Cd в эвтектике.

9. Используя правило отрезков (п. 2.5) определить концентрацию Cd в жидкой и твердой фазах при температуре T для сплава состава Х , указанных в таблице 1 в соответствии с вариантом:

Таблица 1