Кристаллизация металлов

Переход металла из жидкого состояния в твердое состояние называется первичной кристаллизацией. Она протекает вследствие перехода системы из термодинамически неустойчивого состояния в термодинамически устойчивое состояние, т.е. из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией. Энергетическое состояние системы принято характеризовать свободной энергией. Свободной энергией называется часть полной энергии вещества, которая обратимо изменяет свою величину при изменении температуры, полиморфных превращений, плавлении и т.д. при равновесной температуре Т_S величины свободной энергии металла в жидком и твердом состоянии равны; металл в обоих состояниях находится в равновесии. При температуре выше Т_S более устойчив жидкий металл, имеющий меньший запас свободной энергии, а ниже этой температуры устойчив твердый металл. Процесс кристаллизации будет развиваться в том случае, если жидкий металл охладить ниже Т_S. Разность между равновесной температурой Т_S и фактической температурой Т_К называется степенью переохлаждения.

∆Т = Т_S - T_K.

Впервые процессы кристаллизации были изучены русским ученым Д.К.Черновым, который дал теоретическое обоснование всех важнейших превращений, происходящих в жидком металле при переходе его в твердое состояние. Выводы Д.К.Чернова получили практическое применение и послужили базой для современного учения о кристаллизации. Сущность этого учения состоит в следующем.

В жидком металле происходит постоянное движение атомов. По мере понижения температуры это движение замедляется, атомы начинают сближаться, группироваться, образуя первичные кристаллы, которые получили название зародышей, или центров кристаллизации (Рис.9.). Затем происходит рост кристаллов вокруг этих центров за счет жидкого металла. Одновременно продолжается образование новых центров кристаллизации. Таким образом, кристаллизация состоит из двух стадий: 1) образование центров кристаллизации; 2) рост кристаллов вокруг этих центров.

Рис.9. Последовательные этапы процесса кристаллизации

а – появление зародышей кристаллов; б – рост кристаллов и образование новых центров; в – рост кристаллов; г – границы кристаллов (зерен) затвердевшего металла.

Вначале рост кристаллов не встречает препятствий, поэтому растущие кристаллы еще сохраняют правильную форму. В дальнейшем жидкого металла остается меньше, а растущих кристаллов больше. В месте соприкосновения кристаллов рост их прекращается, он продолжается в тех направлениях, где нет препятствий. В результате правильность формы растущих кристаллов нарушается. Получаются группы кристаллов неправильной формы – зерна. Величина зерен зависит от условий кристаллизации и прежде всего от скорости охлаждения металла. Чем больше скорость охлаждения металла, тем быстрее он затвердевает, тем больше возникает центров кристаллизации и, следовательно, тем меньшего размера получаются зерна. Мелкое зерно при затвердевании металла образуется в случае создания искусственных центров кристаллизации. Для этого в расплавленный металл вводят специальные вещества, называемые модификаторами. Процесс искусственного регулирования размеров зерен получил название модифицирование. Форма растущих кристаллов зависит не только от условий их столкновения между собой, но также от состава сплава, наличия примесей и условий охлаждения. Механизм образования кристаллов носит так называемый дендритный характер. Обычно в направлении отвода тепла кристалл растет быстрее, чем в другом направлении, в результате образуется древовидный кристалл – дендрит. Схематическое изображение дендрита впервые было сделано Д.К.Черновым (Рис. 10.).

Рис.10. Схема дендрита

Дендритное строение кристаллов является типичным для литого металла. Кристаллизация жидкого металла начинается у стенок изложницы. При соприкосновении жидкого металла со стенками изложницы он подвергается интенсивному охлаждению, приводящему к образованию огромного числа центров кристаллизации. Из-за большой скорости охлаждения, образовавшиеся кристаллы не успевают вырасти до значительных размеров, и поэтому первая зона слитка имеет мелкозернистое строение (Рис.11.).

Рис.11. Схема строения слитка

1 – зона мелких кристаллов, 2 – зона столбчатых кристаллов, 3 – зона крупных равноосных кристаллов

После образования первой зоны условия кристаллизации изменяются. Снижение температур охлаждаемого металла и повышение температуры стенок изложницы приводят к уменьшению скорости охлаждения. Для этой стадии кристаллизации характерен направленный отвод тепла перпендикулярно стенкам изложницы, поэтому кристаллы образующиеся в этот момент, растут перпендикулярно стенкам изложницы вовнутрь жидкого металла. Это приводит к образованию второй зоны слитка – зоны столбчатых кристаллов. В процессе дальнейшей кристаллизации направленность отвода тепла теряется, скорость охлаждения уменьшается, и поэтому в центральной части слитка образуются крупные равноосные кристаллы. Жидкий металл имеет больший удельный объем, чем твердый, поэтому в верхней части слитка, которая застывает в последнюю очередь, образуется усадочная раковина.

Дата добавления: 2014-10-17