Затвердевание сплавов. Строение жидкого металла. Термодинамические стимулы и кинетические возможности процесса затвердевания. Влияние переохлаждения и примесей на процесс кристаллизации

Рост кристаллов (зародышей) происходит поступлением из жидкости двумерного зародыша на поверхность кристалла, или присоединением атомов к ступенькам винтовой дислокации и другим деферентам.

4. Влияние переохлаждения на процесс кристаллизации

Скорость процесса кристаллизации и строение металла после затвердевания зависят от числа зародышей ч.з. (центров кристаллизации), возникающи

х в единицу времени и в единице объема, то есть от скорости образования зародышей [1/см3×с] и скорости роста с.р. зародышей (увеличения линейных размеров растущего зародыша в единицу времени (мм/с).

Чем больше скорость образования зародышей и чем больше скорость их роста, чем выше эти факторы, тем быстрее протекает процесс кристаллизации.

При ТП – ч.з. и с. р. равны нулю, и поэтому процесс кристаллизации не происходит.

С увеличением степени переохлаждения ч.з. и с.р. возрастают, при определенной ΔТ достигают максимума, после чего снижаются (рис. 7).

Рисунок 7. Зависимость параметров кристаллизации ч.з. и с.р. от степени переохлаждения

В условиях когда ΔТ1 < ΔТ2 < ΔТ3 будет получено:

при ΔТ1 – крупное зерно;

ΔТ2 – чуть мельче;

ΔТ3 – максимальное измельчение структуры.

С увеличением ΔТ скорость образования зародышей, а следовательно, их число возрастают быстрее, чем скорость роста, это объясняется диффузиционными процессами, которые замедляются при низких температурах (больших Δ Т).

Чем больше скорость образования зародышей (ч.з.) и меньше скорость их роста, тем меньше размер кристалла (зерна), выросшего из зародыша, структура металла будет мелкозернистой.

Величина зерна определяется:

S = 1,1 (с.р./ч.з.)3/4

При малой ΔТ число зародышей мало, получено будет крупное зерно.

С увеличением ΔТ число зародышей возрастет (скорость образования зародышей) и размер зерна металла уменьшается.

Зерно металла (его размер) влияет на пластичность и вязкость. Чем меньше размер зерна, тем выше эти свойства у металлов.

6. Гетерогенное образование зародышей. Влияние примесей на процесс кристаллизации

Часто источником образования зародышей являются всевозможные твердые частицы (примеси – неметаллические включения, окислы и т.д.). Частицы примеси должны иметь одинаковую кристаллическую решетку с затвердевающим металлом, параметры решетки могут отличаться не более чем на 9%.

Наличие примесей приводят и уменьшают размер Rк, работы его образования, затвердевание жидкости начинается при меньшем ΔТ, чем при самопроизвольном зарождении.

Чем больше примесей, тем больше центров кристаллизации, тем мельче получается зерно (гетерогенное образование зародышей).

Примеси делятся:

1) влияющие на число зародышей (взвешенные примеси);

2) изменяющие свободную энергию системы (растворенные примеси в жидком металле – при затвердевании осаждаются в виде тонкого слоя на поверхности растущего кристалла, что приводит к уменьшению поверхностной энергии);

Модифицирование – использование специально вводимых в жидкий металл примесей (модификаторов) для получения мелкого зерна по описанному выше механизму.

Эти примеси не изменяют химического состава сплава, но измельчают зерно, улучшая свойства металла.

Виды примесей:

1) тугоплавкие соединения (влияют на число центров кристаллизации – ТiC, VC, VN, NbC, Al2O3 – нитриды, карбиды, оксиды – кристаллизуются в первую очередь); для стали применяют – Al, V, Ti;

2) поверхность активные модификаторы: для никелевых и железных сплавов – В (бор), для чугуна Мg (магний).

7. Форма кристаллических образований

Реально протекающий процесс кристаллизации усложняется действием различных факторов, таких как: скорость и направление отвода тепла, наличие нерастворившихся частиц, конвекционные потоки жидкости, степень переохлаждения и так далее.

Кристаллы, образующиеся в процессе затвердевания металла, могут иметь различную форму. Чаще в процессе кристаллизации образуются разветвленные, или древовидные, кристаллы, получившие название дентритов (рис. 8).

Рисунок 8. Схема дендритного кристалла (а) и роста дендритов (б)

В направлении отвода тепла кристалл растет быстрее, чем в другом направлении. Это приводит к тому, что первоначально образуются длинные ветви – оси первого порядка. Одновременно на ребрах осей первого порядка зарождаются и растут перпендикулярные к ним такие же ветви второго порядка и так далее.

Кристаллы дендритной формы можно видеть непосредственно на поверхности отливки в виде характерного рельефа или на поверхности усадочной раковины, в местах недостаточного подвода жидкости. Правильная форма дендритов искажается в результате столкновения и срастания частиц на поздних стадиях процесса.

Дендритное строение типично для литого металла. Если условия благоприятны, охлаждение медленное, то могут вырасти огромного размера, дендриты. В усадочной раковине 100-т слитка был обнаружен дендрит длиной 39 см («Кристалл Чернова») (рис. 9). Чем быстрее охлаждение при кристаллизации, тем меньше размеры (высота) дендрита и меньше расстояние между ветвями второго порядка.

В зависимости от скорости охлаждения жидкого металла зерна могут иметь равноосную (глобулярную) и столбчатую (вытянутую) форму.

Литература

1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М., 1972, 1980

2. Гуляев А.П. Металловедение. М., 1986

3. Антикайн П.А. Металловедение. М., 1972

 Скачать реферат