Методические пояснения к выполнению работы

Кристаллизация, т.е. переход металла из жидкого в твердое состояние, это разновидность фазового превращения, подчиняющаяся общим закономерностям фазовых превращений. С позиций теории фазовых превращений температура кристаллизации (плавления) чистых металлов, обычно указываемая в справочниках, является точкой термодинамического равновесия жидкой и твердой фаз. Поэтому для начала кристаллизации жидкий металл должен быть переохлажден ниже равновесной температуры. Такое переохлаждение жидкости называют термическим. Переохлаждение создает разность свободных энергий между исходной (жидкой) и образующейся (твердой) фазами, что стимулирует начало кристаллизации. Поэтому степень переохлаждения является важнейшим фактором, влияющим на развитие процесса кристаллизации и на конечную структуру литого металла. Степень термического переохлаждения жидкого металла можно изменять в определенных пределах, создавая разные скорости охлаждения.

Затвердевание переохлажденной жидкости начинается с образования кристаллических зародышей и развивается путем их роста. Число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов зависят от степени термического переохлаждения. Увеличение степени переохлаждения жидких металлов, достигаемое экспериментально, приводит к увеличению числа центров и скорости роста.

Рост кристаллов происходит в результате присоединения к наружным граням атомов из жидкости. При малом переохлаждении чистых металлов образуются правильно ограненные кристаллы равновесной формы – это кристаллизация по закону «плоской грани» (рис. 1).

Рис.6. Схема роста кристаллов с образованием двумерного зародыша.

Равновесной называется форма кристаллов, отвечающая минимальной удельной поверхностной энергии. В металлах с ГЦК кристаллической решеткой равновесная форма кристалла соответствует октаэдру, т.к. поверхностное натяжение и поверхностная энергия минимальны у поверхности с индексами (III). Поверхностная энергия тем меньше, чем выше плотность укладки атомов в данной плоскости.

Однако в реальных условиях роста форма кристалла искажается. Условия или законы роста кристаллов зависят от многих факторов, важнейшими из которых можно назвать - скорость охлаждения и степень переохлаждения, направление отвода тепла от фронта кристаллизации, наличие в жидком металле растворенных примесных атомов и др.

В металлах технической чистоты и сплавах кристаллы растут, как правило, в форме древовидных кристаллов по закону дендритного роста (рис.7). Дендриты, прорастая в жидкость и разветвляясь, образуют оси разных порядков. Главная ось дендрита, образующаяся первой, называется осью первого порядка. От нее растут побочные оси второго порядка и более высоких порядков. Междуосные пространства, кристаллизующиеся в последнюю очередь, окончательно формируют кристалл неправильной формы или кристаллит, обычно называемый зерном или макрозерном литого металла. Зерно литого металла, в зависимости от условий роста дендрита, может быть столбчатым или равноосным. Столбчатое зерно формируется в том случае, когда происходит преимущественный рост оси первого порядка, а побочные оси дендрита развиваются слабо. В равноосных кристаллах все оси дендрита развиваются равномерно в разных направлениях (рис.7, б).

а) б)

Рис. 7. Схема строения слитка (а) и рост дендритов (б).

Часто в структуре слитка одновременно существуют две зоны - зона столбчатых кристаллов ближе к поверхности и зона равноосных кристаллов в центре слитка. Кроме того, на самой поверхности слитка может возникать корочка мелких кристаллов, образующихся в связи с резким переохлаждением тонкого слоя расплава, соприкасающегося с холодными стенками формы (рис.2,а).