Механизм процесса кристаллизации

Процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов:

1) зарождение центров кристаллизации или зародышей;

2) рост кристаллов из этих центров.

Процесс кристаллизации схематично показан на рис. 17.

Рис. 17. Схема процесса кристаллизации

Каждую секунду появляется какое-то количество новых центров кристаллизации, в то же время появившиеся ранее зародыши подрастают с определенной скоростью на какую-то величину. Столкновение растущих кристаллов приводит к потере ими правильной огранки. Это уже не кристаллы, а зерна.

Общая скорость процесса кристаллизации складывается из скорости элементарных процессов и зависит от степени переохлаждения или скорости охлаждения расплава (рис. 18). Обозначения на рис. 18:

ч.ц. – число центров кристаллизации, возникших за 1 с в 1 мм³ расплава,

с.р. – линейная скорость роста кристалла, мм/c.

При медленном охлаждении V ₁ и малой степени переохлаждения Δ T ₁ возникает малое число зародышей в единицу времени. Из них вырастает небольшое количество крупных зерен. В этом случае получается крупнозернистая структура металла.

При большой скорости охлаждения V ₂ и значительной степени переохлаждения Δ T ₂ возникает множество зародышей в единицу времени, и из них вырастает много мелких зерен. Структура получается мелкозернистая.

В производственных условиях изготовления отливок встречаются скорости охлаждения, расположенные в левой части графика. Правая же часть этих зависимостей (после максимумов) может быть реализована только в специальных условиях, так как для этого необходимы очень большие скорости охлаждения жидкого металла.

Таким образом, практически увеличение скорости охлаждения при кристаллизации приводит к формированию более мелкозернистого металла, имеющего более высокие механические свойства.

Крайняя левая точка графика соответствует теоретической температуре кристаллизации T_s. Степень переохлаждения Δ T = 0, то есть, нет движущей силы процесса, кристаллизации не будет. Очень маленькая скорость охлаждения может привести к получению только одного зародыша, из которого можно вырастить монокристалл.

В крайней правой точке, при очень большой скорости кристаллизации, атомы не успевают перестроиться в правильную кристаллическую решетку. Зародыши кристаллов не образуются совсем! Металл становится переохлажденной жидкостью, не имеющей дальнего порядка. Такие затвердевшие, но не ставшие кристаллическими металлы называют металлическими стеклами, или аморфными металлами.

Дата добавления: 2014-01-11