Диаграмма эвтектического типа Al-Si

На рисунке 11 приведена диаграмма Al-Si, сплавы этой системы, получили название силумины. В системе Al-Si существуют три фазы: L – жидкий неограниченный раствор атомов алюминия и кремния, a - твердый раствор кремния в алюминии с максимальной растворимостью 1,65% Si в решетке алюминия (a_1,65%Si), b - твердый раствор алюминия в кремнии с максимальной растворимостью в кремнии 2% Al (b_2%Al).Она уменьшается при понижении температуры до 20°С и достигает значений a_0,067% и b_0%Al, т.е. b-твердый раствор превращается в чистый кремний.

Рис. 11. Часть диаграммы Al-Si.

Основное трехфазное превращение в системе Al-Si – эвтектическое – при температуре 577°С: L_11,7 Û a_1,65 +b_99,5 (цифры состава фаз записываются только по содержанию кремния, а содержание алюминия подразумевается как добавление до 100%, т.е. L_{11,7% si}, _{88, 3%Al}).

Температура

Эвтектическая кристаллизация заключается в том, что при постоянной температуре в жидкости возникают зародыши двух твердых фаз, которые растут одновременно и образуют единую эвтектическую смесь кристаллов – эвтектику (a + b).

Эвтектическому превращению предшествуют этапы первичной кристаллизации: L ®a (в области L + a) и L ®b (в области L + b).

При охлаждении сплавов ниже температуры эвтектики происходит вторичная кристаллизация aÛb вследствие изменения химического состава зерен a- фазы от 1,65% до 0,067% Si. “Лишние” атомы Si, выделяясь из решетки алюминия, образуют новую решетку b-твердого раствора (т.е. образуются очень мелкие кристаллы b^II); аналогичное изменение содержания кремния в решетке b-фазы от 99,5% до 100% Si вызывает образование новых мелких кристаллов a^II.

Для определения конечной структуры сплава необходимо провести вертикальную линию через точку химического состава сплава и, определив критические температуры, записать этапы фазовых превращений.

Пример: сплав состава 5%Si, остальное Al:

1. Начало затвердевания на линии ликвидус при температуре ~ 620 ⁰С.
В интервале 620-577⁰С протекает первичная кристаллизация
L_(5®11,7)%Si ®a^I_{(0,6®1,65)%Si}. При этом меняется состав фаз по линиям ликвидус и солидус: L_{(5®11,7) %Si} ®a _{(0,6®1,65) %Si}.

2. При температуре t=577⁰С=const протекает эвтектическая кристаллизация: L_11,7 ® a^Э_1,65 + b^Э_99,5.

3. Ниже 577⁰ до 20⁰С – выделение вторичных кристаллов вследствие изменения состава фаз a и b по линиям переменой растворимости:
a_{(1,65-0,067)% Si} Ûb_{(99,5-100)%Si}.

Конечная структура определяется с учетом результатов всех фазовых превращений: a^I_0,067+(a^Э_0,067 + b^Э₁₀₀)_{эвтектика}+a^II_0,067+b^II₁₀₀

Вторичные кристаллы отличаются от первичных размерами. Первичные кристаллы наиболее крупные, а вторичные имеют размеры, меньшие на 3-4 порядка. Кроме того, эти мелкие частицы, образовавшиеся при охлаждении в твердом состоянии, чаще всего растут, как на готовой подложке, на ранее образованных кристаллах, поэтому они часто не обнаруживаются под микроскопом.

Поскольку при полном охлаждении состав b-фазы изменился до b_100%Si, т.е. в решетке кремния не осталось атомов алюминия, структура сплава состоит из a^I_0,067+(a_0,067 +Si)+a^II_0,067+Si^II. Такая структура образуется во всех доэвтектических сплавах, содержащих более 1,65% Si, но менее 11,7% Si.

В сплаве эвтектического состава (11,7%Si) отсутствует первичная кристаллизация, поэтому в структуре присутствует только (a_0,067 +Si)_{эвтектика}.

В заэвтектических сплавах содержащих от 11,7% Si до 99,5% Si протекает первичная кристаллизация L®b^I, вместо L®a^I, а затем кристаллизация эвтектики L®a+b и вторичная кристаллизация. Конечная структура сплава (с учетом преобразования твердого раствора b в чистый кремний): Si^I+(a_0,067+Si)+a^II_0,067+Si^II.

Фазовый состав всех этих сплавов одинаковый при комнатной температуре: a_0,067 и Si. Но состав фаз при любой другой температуре определяется точками на концах коноды, проведенной при заданной температуре в двухфазной области для данного сплава. Например, у сплава с 50% Si при температуре 800°С конода указывает на состав фазы L_25%Si и фазы b_99,0%Si.

Определение весовых количеств двух сосуществующих фаз в конкретном сплаве определяется по правилу отрезков коноды, проведенной для данного сплава. Так, в том же сплаве с 50% Si при температуре 800⁰С количества фаз L и b определяется отрезками:

Для определения весовых количеств структурных составляющих в конечной структуре сплава используется конода при той температуре, при которой данная составляющая образовалась полностью.

Пример для того же сплава с 50% Si. Его структура Si^I+(a_0,067+Si)+a^II_0,067+Si^II. Структурные составляющие Si^I и эвтектика (a+Si) полностью образовались при температуре эвтектики 577⁰С на коноде
(11,7-99,5)% Si. Поэтому:

Q_SiI=Q_bI и Q_L=Q_(a+Si) ,

т.к. количество эвтектики равняется количеству жидкой фазы L, оставшейся после первичной кристаллизации b^I при t=577⁰С.

Можно так же подсчитать и весовое количество вторичных кристаллов, которые полностью выделились при комнатной температуре, т.е. на коноде (100-0,067)% Si. Вторичные кристаллы выделяются вследствие изменения химического состава фаз по линиям переменной растворимости, т.е. от 1,65 до 0,067% Si для a фазы, и от 99,5 до 100% Si для фазы b. Количество вторичных фаз будет также зависеть от количества ранее образовавшихся фаз:

Q_SiII и Q_aII

На рисунке 12 приведены характерные структуры сплавов Al-Si.

а)	б)	в)
Рис. 12. Микроструктура силуминов с содержанием кремния: а) 4% Si (´280); б) 11,7% Si (´280); в) 20% Si (´100).