Лекция 4. Литейное производство – способ первичного формирования заготовок из жидкоподвижных конструкционных материалов.
4.1. Кристаллизация металлов
4.1.1. Физическая сущность процесса
Основной причиной и движущей силой процесса кристаллизации является стремление вещества к наиболее устойчивому в термодинамическом отношении состоянию, т. е. к наименьшему запасу свободной энергии.
Изменение величины свободной энергии в зависимости от температуры для металла в кристаллизовавшемся и жидком состояниях схематически показано на рис. 4.1. При температуре Т0 свободные энергии F обоих состояний равны. Такую температуру называют равновесной или теоретической температурой кристаллизации. При Т0 обе фазы (жидкая и твердая) могут сосуществовать одновременно и бесконечно долго: процесс кристаллизации при этой температуре еще не начинается.
Разность между теоретической и фактической температурами кристаллизации называется степенью переохлаждения ΔТ:
ΔТ = Т0 – Ткр.
Определение температур критических точек плавления и кристаллизации осуществляют при медленных нагреваниях и охлаждениях, т. е. в равновесном состоянии. Эти процессы изображают с помощью кривых нагревания (рис. 4.2) и охлаждения (рис. 4.3).
При нагреве всех кристаллических тел, в том числе металлов, наблюдается четкая граница перехода из твердого состояния в жидкое (рис. 4.2).
Такая же резкая граница существует и при переходе из жидкого состояния в твердое (рис. 4.3).
Рис. 4.1. Изменение свободной энергии F жидкого и кристаллизовавшегося металла в зависимости от температуры Т.
Рис. 4.2. Кривая нагревания. Рис. 4.3. Кривая охлаждения
Рис. 4.4. Кривые охлаждения в случае кристаллизации металла при различных степенях переохлаждения
На кривой нагревания внешний подвод тепла сопровождается повышением температуры металла, сохраняющего свою кристаллическую решетку.
На горизонтальном участке кривой нагрева подвод тепла продолжается, но он не приводит к повышению температуры, т. е. подводимая энергия целиком расходуется на разрушение закономерного расположения атомов.
Внешне это проявляется в переходе твердого состояния в жидкое. После разрушения последних участков кристаллической решетки продолжающийся подвод тепла вызывает повышение температуры жидкого металла.
При охлаждении происходит обратный процесс. Горизонтальный участок кривой охлаждения показывает, что происходит кристаллизация, сопровождающаяся выделением тепла, которое называется скрытой теплотой кристаллизации. Кристаллизация металла происходит при некотором переохлаждении ΔТ, величина которого зависит от природы самого металла, от степени его загрязненности различными включениями и от скорости охлаждения. Кривые охлаждения, характеризующие процесс кристаллизации чистых металлов при охлаждении с разной скоростью, приведены на рис. 5.4.
При очень медленном охлаждении степень переохлаждения невелика и процесс кристаллизации протекает при температуре, близкой к равновесной (рис. 5.4, кривая V1).
С увеличением скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает (кривые V2, V3) и процесс кристаллизации протекает при температурах, лежащих ниже равновесной температуры кристаллизации. Чем чище жидкий металл, тем более он склонен к переохлаждению. При затвердевании очень чистых металлов степень переохлаждения ΔТ может быть очень велика.
Процесс кристаллизации начинается с образования кристаллических зародышей (центров кристаллизации) и продолжается в процессе роста их числа и размеров. Вокруг образовавшихся центров начинают расти кристаллы (рис. 5.5, а). Каждый из растущих новых кристаллов ориентирован в пространстве произвольно (рис. 5.5, б, в). При уменьшении количества жидкости поверхности растущих кристаллов соприкасаются друг с другом, их правильная внешняя форма нарушается и получается произвольной (рис. 5.5, г).
Кристаллы с неправильной внешней формой называются зернами или кристаллитами (рис. 5.5, г). Твердые тела, в том числе и металлы, состоящие из большого количества зерен, называют поликристаллическими.
Таким образом, процесс кристаллизации состоит из двух этапов:
1) образование центров кристаллизации (зародышей);
2) рост кристаллов вокруг этих центров.
Установлена зависимость числа центров кристаллизации (ч. ц.) и скорости роста кристаллов (с. к.) от степени переохлаждения ΔТ (рис. 5.6).
Каждый из этих параметров изменяется по закону кривых распределения, т.е. число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов, возрастая с увеличением степени переохлаждения, имеют максимум. Размер образовавшихся кристаллов зависит от соотношения числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов при температуре кристаллизации, т. е. от степени переохлаждения.
Рис. 4.5. Схемы процесса кристаллизации металла.
Рис. 4.6. Зависимость параметров кристаллизации от степени переохлаждения: ч. ц. – число центров кристаллизации, образующихся в единицу времени; с. к. – скорость роста кристаллов
При равновесной температуре Т0 число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов равны нулю, процесса кристаллизации не происходит. Если жидкость переохладить до температуры, соответствующей точке a, то образуются крупные зерна (рис. 4.6). При переохлаждении, соответствующей точке b, образуется мелкое зерно, так как в этом случае скорость роста кристаллов незначительная, а центров кристаллизации много. Если очень сильно переохладить жидкость (точка с на рис. 4.6), то число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов становятся равными нулю, жидкость не кристаллизуется. Образуется аморфное тело.
Кроме тепловых процессов на кинетику процесса кристаллизации, на количество и размеры кристаллизующихся зерен оказывают влияние вторичные факторы. К ним относится случайное наличие в расплаве жидкости посторонних нерастворимых частиц (из шихтовых материалов) или их специальное введение (модифицирование), а также действие ультразвука или механической вибрации.
Кристаллизация без каких-либо посторонних воздействий или без наличия готовых центров кристаллизации называется самопроизвольной, при наличии готовых центров – несамопроизвольной.
Чистые металлы применяют в технике очень редко в связи с тем, что они в большинстве случаев не могут обеспечить необходимых механических и физических свойств, которые удается получить в сплавах.
Металлический сплав образуется в результате взаимодействия двух или нескольких химических элементов. Он обладает металлическими свойствами, отличающимися от свойств исходных компонентов.
Сплавы можно получить методом сплавления, порошковой металлургией, диффузией, осаждением из газовой среды различных металлов и неметаллов.