В сплавах нередко образуется структурная составляющая, получившая название эвтектика. Структуру, состоящую из определенного сочетания двух (или более) твердых фаз, одновременно кристаллизовавшихся из жидкого сплава, называется эвтектикой. Эвтектика состоит из двух и более фаз (твердых растворов α и β или твердого раствора α и химического соединения), имеющих форму пластинок, равномерно чередующихся между собой, которые образуют колонии. Иногда обе фазы в колониях непрерывно разветвлены одна в другой. Наряду с этой структурой в эвтектике могут присутствовать обособленные кристаллы α- и β-твердых растворов.
Рассмотрим на примере сплавов системы свинец-сурьма (Pb-Sb).
Рисунок 1 – Диаграмма состояний сплавов системы свинец–сурьма
Характерной точкой этой диаграммы является тройная точка В, которой соответствует наиболее легкоплавкий (эвтектический сплав этой системы, имеющий в своем составе 13% Sb).
Сплавы, содержащие менее 13% Sb, называются доэвтектическими, а содержащие более 13 % Sb –заэвтектическими сплавами.
Структурными составляющими сплавов системы свинец–сурьма являются: 1) кристаллы Рb; 2) кристаллыSb; 3) кристаллы эвтектики эвт(Pb+Sb).
В соответствии с диаграммой состояния структуры сплавов: I – Pb+эвт(Pb+Sb); II – эвт(Pb+Sb); III –Sb+эвт(Pb+Sb); IV – Sb+эвт(Pb+Sb).
Различие структур III и IV сплавов состоит в том, что в IV сплаве больше кристаллов Sb, т. к. в этом сплаве избыток сурьмы над эвтектическим составом больше, чем в III сплаве.
Пользуясь диаграммой состояния, можно для любой температуры определить не только число фаз, но и их состав и количественное соотношение. Для этого следует применить правило отрезков (правило рычага).
Это правило может быть использовано для диаграмм, в которых сплавы находятся в двухфазном состоянии. Первое правило отрезков – определение состава фаз.
Фазовое строение сплавов на диаграмме зависит от температуры. При термодинамическом воздействии компонентов друг на друга снижается температура их перехода в жидкое состояние, достигая некоторого минимума при определенном для каждой пары компонентов составе. Состав сплава можно определить, спроецировав точку С на ось абсцисс (точка В 3). Сплав двух компонентов, который плавится при минимальной температуре, называется эвтектическим или эвтектикой. Эвтектика является равномерной смесью одновременно закристаллизовавшихся мелких зерен обоих компонентов. Температура, при которой одновременно плавятся оба компонента, называется эвтектической температурой
На диаграмме состояния температуры, выше которых сплавы находятся в жидком состоянии, лежат на линии АСВ, называемой линией ликвидуса. Переход сплавов из жидкого состояния в твердое при кристаллизации происходит в интервале температур, лежащих между линией ликвидуса и эвтектической температурой, которой соответствует линия солидуса DCE. При этом из каждого сплава по мере снижения температуры в твердую фазу переходит вначале тот компонент, количество которого превышает эвтектическую концентрацию. У доэвтектических сплавов двухфазная область АСD содержит избыточный компонент А и жидкую фазу Ж, а в заэвтектической области ВСЕ находятся соответственно твердая В и жидкая Ж фазы. В обоих случаях фаза Ж является жидким раствором обоих компонентов.
По мере снижения температуры и приближения ее к ^ состав незакристаллизовавшейся фазы приближается к эвтектическому При этом чем меньше сплав отличается по составу от эвтектического, тем ниже его точка ликвидуса, и тем больше в нем затвердевает эвтектики.
Количественные изменения в сплавах данной системы компонентов при кристаллизации подчиняются правилу отрезков. Количество каждой структурной составляющей, от которого зависят свойства, может быть вычислено по правилу отрезков применительно к эвтектической температуре. При оценке прочностных свойств следует иметь в виду, что та часть сплава, которая представлена эвтектикой, имеет более высокую прочность, чем часть, представленная более крупными зернами избыточной фазы.
Для определения состава фаз для сплава при различных температурах в точке п. Для этого через точку п, характеризующую состояние данного сплава при температуре tn, надо провести горизонтальную линию (коноду) 24б до пересечения с линиями диаграммы состояния, ограничивающими данную двухфазную область. Точки пересечения l2 и s2проектируют на ось концентраций. Проекция точки l2 точка l2 покажет состав жидкой фазы, а точки s2 – точка s2 – твердой фазы. Чтобы определить состав фаз при любой температуре, нужно через эту точку провести коноду и спроектировать точки пересечения с ликвидусом и солидусом на ось концентраций. Состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидуса, а твердой – по линии солидуса.
При температурах ниже линии солидуса фазовый состав всех сплавов рассматриваемой системы состоит из зерен обоих компонентов: А+В. Различают присутствующие в любом сплаве мелкие зерна А и В, составляющие эвтектику, и крупные зерна избыточных фаз – компонентов А или В соответственно в доэвтектических и заэвтектических сплавах.
Пользуясь вторым положением правила отрезков, определяют количественное соотношение фаз для любой температуры. Количество (масса) фаз обратно пропорционально отрезкам проведенной коноды.
Правило отрезков (рычага) позволяет определить состав и количество твердой и жидкой фаз сплава, находящегося в интервале кристаллизации. По диаграмме состояния можно определить не только число фаз конкретного сплава при данной температуре, но и относительное количество каждой фазы. Для определения количества фаз, например, сплава Pb – Sb, содержащего 72 % Sb, при заданной температуре необходимо провести перпендикуляр из точки на оси концентрации, соответствующей содержанию 72 % Sb, и горизонтальную линию, соответствующую заданной температуре tзад. В результате пересечения линий получим точку К. Горизонтальную линию, проходящую через точку К, продолжим до пересечения с линиями диаграммы, получим точки l и S. Точка lсоответствует жидкой фазе сплава (лежит на линии ликвидуса), точка S-твердой фазе (лежит на оси температур чистой сурьмы).
6. Электронная микроскопия
Электронная микроскопия - совокупность методов исследования с помощью электронных микроскопов (ЭМ) микроструктуры и их локального состава. Эта задача в полной мере решается на современных приборах, когда просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) совмещают с растровым (РЭМ). Электронный микроскоп - прибор для наблюдения многократно увеличенного изображения объектов, в котором вместо световых лучей используются пучки электронов, ускоренных в условиях высокого вакуума. Это определение относится и к ПЭМ, и к РЭМ. Для наблюдения используется электронная оптика - совокупность приборов и методов исследования, основанная на формировании потоков электронов и управлении ими с помощью электрических и магнитных полей (электронная линза впервые была создана в 1926 г.).
6.1 Растровая (сканирующая) электронная микроскопия
Этот метод основан на зондировании поверхности изучаемого образца электронным зондом. Сущность метода состоит в том, что поверхность массивного образца облучается тонко сфокусированным (диаметром до 5-10 нм) пучком электронов - так называемым электронным зондом. Пучок электронов совершает возвратно-поступательное движение по линии или развертывается в растр - совокупность близко расположенных параллельных линий, вдоль которых пучок электронов обегает выбранный для исследования участок поверхности.
Рисунок 31 - Эффекты, возникающие при взаимодействии пучка электронов с веществом: 1 - электронный пучок; 2 - образец; 3 - отраженные электроны; 4 - вторичные электроны; 5 - ток поглощенных электронов; 6 - катодолюминесценция; 7 - рентгеновское излучение; 8 - Оже-электроны; 9 - наведенный ток; 10 - прошедшие электроны.
В каждой точке облучаемой поверхности происходит взаимодействие электронов пучка 1 с веществом, в результате чего возникает ряд эффектов: образуются отраженные электроны 3, вторичные электроны 4, рентгеновское 7 и другие излучения (см. рис. 1, где 1 - электронный пучок; 2 - образец; 3 - отраженные электроны; 4 - вторичные электроны; 5 - ток поглощенных электронов; 6 - катодолюмине-сценция;7 - рентгеновское излучение; 8 - Оже-электроны; 9 - наведенный ток; 10 - прошедшие электроны). Эти эффекты служат основой для получения разнообразной информации: о рельефе поверхности образца 2, химическом составе и кристаллографической ориентации объемов, прилегающих к поверхности. Электроны, испускаемые веществом, различного рода излучения, улавливаются специальными датчиками и после усиления используются для управления яркостью электронно-лучевой трубки, на экране которой формируется изображение. При этом каждой точке на поверхности образца 2 соответствует определенная точка на экране электронно-лучевой трубки. Яркость каждой точки на экране определяется интенсивностью сигнала из соответствующей точки образца. Интенсивность сигналов изменяется при пробегании электронного зонда по поверхности образца. Это обеспечивает контраст в изображении разных участков поверхности на экране электронно-лучевой трубки.
Рисунок 32 - Принципиальная схема растрового электронного микроскопа (РЭМ): 1 - катод; 2 - фокусирующий электрод; 3 - анод; 4 - ограничивающая диафрагма; 5 - первая кондесорная линза; 6 - вторая конденсорная линза; 7 - отклоняющие катушки; 8 - стигматор; 9 - конечная (объективная) линза; 10 - диафрагма, ограничивающая размер пучка; 11 - детектор рентгеновского излучения; 12 - усилитель фотоумножителя; 13 - генераторы развертки; 14 - образец; 15 - детектор вторичных электронов; 16 - к отклоняющим катушкам; 17 - управление увеличением; 18 - ЭЛТ.
Принципиальная схема РЭМа представлена на рисунке 32. На ней можно выделить следующие основные системы: электроннооптическую 1-10, предназначенную для формирования электронного зонда и его сканирования (пробегания) по поверхности образца 14; систему, формирующую изображение 11-18. РЭМ снабжен вакуумной автоматизированной системой и устройствами точной механики (шлюзы, держатели образцов и пр.). Основная область применения РЭМа - анализ рельефа поверхности, в особенности изломов (фрактография). Преимущества РЭМ по сравнению с другими микроскопами здесь наиболее заметны. В связи с тем, что изображение обычно формируется с помощью вторичных электронов, зона выхода которых ограничена малой областью вокруг места падения зонда, достигается высокая разрешающая способность. Это позволяет исследовать мельчайшие детали рельефа поверхности. РЭМ обеспечивает также большую резкость в сочетании с наглядностью изображения. Это дает возможность исследовать объекты с сильно развитой поверхностью.
Подготовка образцов для исследования с помощью РЭМ не вызывает трудностей. Основное требование к образцу - соответствие его размеров размерам камеры для образцов в приборе. Необходимо также, чтобы поверхность, предназначенная для исследования, была чистой. Очистку образцов от загрязнений осуществляют с помощью различных растворителей в ультразвуковой камере в сочетании с осторожной механической очисткой.
РЭМ можно использовать для исследования структуры сплавов, характера распределения частиц по форме и размерам. В этом случае образцы для исследования готовят так же, как для наблюдения с помощью светового металлографического микроскопа.