2.2.2. Механізм кристалізації

Експериментально доведено, що кристалізація відбувається у дві стадії:

зародження найдрібніших кристаликів — центрів кристалі­зації (перша стадія);

їх ріст (друга стадія).

Обидві стадії у різних місцях розплаву можуть відбуватись одночасно. Розрізняють два механізми зародження кристалів:

гомогенний, описаний вище, коли центри кристалізації ви­никають у однорідній рідині;

гетерогенний, коли центрами кристалізації стають тверді чужорідні частинки, наприклад, оксиди чи нітриди, розсіяні в рідкому металі.

У переохолодженому металі зароджуються центри криста­лізації у тих мікрооб'ємах, де найвпорядкованіше розташовані атоми. Розміри таких центрів дуже малі. Вони безперервно роз­падаються і знову зароджуються. Очевидно, що зі збільшенням переохолодження рідкого металу сповільнюється хаотичний рух його атомів і окремі їх впорядковані угруповання стають стій­кішими. Отже, переохолодження створює умови, при яких під­вищується стійкість центрів кристалізації і зменшується їх мі­німальний або критичний розмір. Критичним R_K називається такий мінімальний розмір зародка R, який здатний збільшува­тись при даній температурі. Якщо розмір зародка менший від критичного R_K (рис. 2.2.4), він не ростиме, оскільки це призве­де, врешті, до збільшення вільної енергії системи і такий заро­док розчиниться у рідкому металі. Коли утворюється зародок більший від R_K, то він стійкий і здатний рости, бо зі збільшен­ням його розмірів вільна енергія системи зменшується.

Іноді, щоб отримати бажану структуру, в розплавлений ме­тал вводять незначну кількість чужорідної речовини — модифі-

катор. Модифікатори в одному випадку стають центрами кри­сталізації, в іншому, розчиняючись у рідкому металі, осідають на утворених кристаликах у вигляді тонкої плівки, яка зава­жає подальшому росту цих кристаликів.

Ріст кристалу зводиться до поступового збільшення розмі­рів зародка через приєднання нових атомів, що надходять із рідкого металу. Вільний ріст триває до моменту стикання з су­сідніми кристалами. У місцях стикання ріст припиняється, але він продовжується у тих напрямах, де є вільний доступ рідини. В результаті утворюються кристали, що мають неправильну гео­метричну форму — кристаліти, або зерна.

2.2.3. Кінетика кристалізації

Результати кристалізації залежать від швидкості зароджен­ня центрів кристалізації (v_K._a.) і швидкості їх росту (v_P). Швид­кість зародження v_K.u. — це число центрів кристалізації, яке виникає в одиниці об'єму рідини за одиницю часу. Швидкість росту кристалу v_P — це швидкість збільшення його лінійних розмірів (мм) за одиницю часу (мм/с).

Німецький учений Г.Таман довів, що величини и_к.„. і v_p зале­жать від ступеня переохолодження А* (рис. 2.2.5). При теоретич­ній температурі кристалізації t_s, коли At = 0, и_к._ц. = 0 і v_p = 0, процес не відбувається. З ростом At значення и_к._ц, і v_P збільшу­ються до максимуму, а потім зменшуються до нуля. Максиму­ми и_к.ц. і Vp відповідають різним числовим значенням At.

Розміри зерен залежать від ступеня переохолодження. Після переохолодження металу до значення At, що відповідає

точці а (рис. 2.2,5), утворюються зерна великих розмірів, оскіль­ки тоді швидкість зародження центрів кристалізації мала, а лінійна швидкість росту кристалів велика. При ще більшому переохолодженні (точка Ь), коли значення v* «• велике, a v_P мале, отримуємо дрібні зерна. При значному переохолодженні (точка с) кристали взагалі не утворюються і твердий метал має аморфну структуру з невпорядкованим розташуванням атомів.

У виробничих умовах кристалізація ускладнюється різними факторами, серед яких: температура розливання рідкого мета­лу у форми, його хімічний склад, напрямок потоку відведення тепла, наявність твердих частинок. Перелічені фактори можуть мати істотний вплив на форму та розміри зерен.