Кристаллизация металлов. Строение слитка. Теоретическая и фактическая кристаллизация

При переходе из жидкого состояния в твердое - образуется кристаллическая решетка, возникают кристаллы. Такой процесс называется кристаллизацией.

Изменение внешних условий, например температуры, приводит к изменению свободной энергии. Эти изменения протекают по сложному закону, и они различны как для жидкого, так и для твердого состояния. Однако схематично это можно представить так:

Выше температуры Tо меньшей свободной энергией обладает вещество в жидком состоянии, ниже температуры Tо - вещество в твердом состоянии.

Очевидно, что температуре, равной Tо, свободные энергии жидкого и твердого состояний равны, металл в обоих состояниях находится в равновесии. Эта температура То и есть равновесная или теоретическая температура кристаллизации. Однако при То не может происходить процессов кристаллизации или плавления, т.к. при данной температуре Fж = Fкр.

Для начала кристаллизации необходимо, чтобы процесс был термодинамически выгоден системе и сопровождался уменьшением свободной энергии системы. Из графика следует, что это возможно только тогда, когда жидкость будет охлаждена ниже точки То. Температура, при которой практически начинается кристаллизация, называется фактической температурой кристаллизации.

Структура литого слитка состоит из трех основных зон. Первая зона - наружная мелкозернистая корка, состоящая из дезориентированных мелких кристаллов - дендритов. При первом соприкосновении со стенками изложницы в тонком при легающем слое жидкого металла возникает резкий градиент температур и явление переохлаждения, ведущее к образованию большого количества центров кристаллизации. В результате корка получает мелкозернистое строение.

Вторая зона слитка - зона столбчатых кристаллов. После образования самой корки условия теплоотвода меняются (из-за повышения температуры стенки изложницы, уменьшения теплообмена, т.к. появилось еще две границы раздела твердое - жидкое и твёрдое - стенка изложницы и др. причины), градиент температур в прилегающем слое жидкого металла резко уменьшается и, следовательно, уменьшается степень переохлаждения. В результате из небольшого числа центров кристаллизации начинают расти нормально ориентированные к поверхности корки столбчатые кристаллы (в сторону отвода тепла).

Третья зона слитка - зона равноосных кристаллов. В центре слитка уже нет определенной направленности отдачи тепла. Поэтому температура выравнивается и кристаллы растут по различным направлениям, встречаясь друг с другом. В результате этого образуется равноосная структура.

Кристаллизация, приводящая к стыку зон столбчатых кристаллов, носит название транскристаллизации.

9. Диаграммы металлов с полиморфными превращениями.

Полиморфизм – это свойство металлов в зависимости от температуры и давления существовать в состояниях с различными кристаллическими решетками.

Рисунок 2. Диаграмма состояния с полиморфным превращением у одного из компонентов: ТпА – температура полиморфного превращения компонента А (Fe, Sn, Co, Mk, Ti, Zr и др.), ТАаТВ – линия ликвидус, ТАбТВ – линия солидус, ТпА-С2 – линия начала полиморфного превращения, ТпА-С1 – линия окончания полиморфного превращения.

После затвердевания все сплавы состоят из γ-твердого раствора (твердый раствор В в Аγ). С понижением температуры ниже ТпА-С2: Аγ превращается в Аα (модификации). В области С1-С2 в равновесии находится две фазы α+γ, где α – твердый раствор В в Аα.

Многие мет-лы в завис-ти от t могут сущест-ть в разных крист формах. Или полиморфных модификаций. Чтобы полим превращ протикало нужно переохлаждение относительно равновестной температуры для возникновения разности энергий Гиббса межде исходной образующей новой модификации.

Дата добавления: 2015-04-24