3. Кристаллизация сплавов

Процесс перехода сплава из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллических решеток (кристаллов) называется первичной кристаллизацией. Процесс кристаллизации начинается с образования зародышей - центров кристаллизации, которыми могут быть группы элементарных кристаллических решеток, тугоплавкие неметаллические включения или примеси. Чаще всего кристаллизация начинается от стенок формы, или от полуоплавленных зерен основного металла сварного шва. Образующиеся кристаллы с наибольшей скоростью растут в направлении, противоположном отводу теплоты, т.е. перпендикулярно к стенкам формы. Скорость затвердевания, т.е. перехода из жидкой в твердую фазу, зависит от скорости роста кристаллов, определяемой скоростью охлаждения, и от числа центров кристаллизации. От этого зависит и характер образующейся структуры: при небольшом числе центров кристаллизации рост их не ограничивается, получаются кристаллы большого размера древовидной формы - дендриты (рис. 1.4). Если процесс кристаллизации происходит из многих центров, то ветви дендритов при росте ограничивают друг друга и искажаются. Кристаллы неправильной формы называются зернами или кристаллитами. Комплекс кристаллитов образует поликристаллическую структуру (рис. 1.5).

Рис. 1.4. Схематическое изображение дендрита

При наличии несовершенств строения зерно разделяется на блоки и имеет структуру, которая называется микромозаичной. Отдельные мозаики повернуты друг относительно друга на небольшой угол (1^°). Решетки соседних блоков не совпадают по ориентации, что приводит к нарушению правильности в их строении. Причиной возникновения вакансий и дислокаций при кристаллизации является нарушение правильности порядка присоединения атомов при росте кристалла или разориентации соседних кристаллических решеток.

Рис. 1.5. Схема поликристалической структуры

Искажение кристаллической решетки и состояние границ зерен в металлах влияют на их свойства. Например, прочность может увеличиться вследствие искажения кристаллической решетки вблизи границ или уменьшиться в связи с наличием в них примесей, которые всегда присутствуют в расплаве.

Примеси, растворенные в жидком металле, могут также измельчать зерно и изменять его форму. Примеси при затвердевании в виде тонкого слоя осаждаются на поверхности растущего кристалла и ограничивают его рост. Чем больше скорости охлаждения и зарождения центров кристаллизации, тем больше скорость кристаллизации и более мелкозернистая структура сплава. При мелкозернистой структуре механические свойства сплава повышаются.

При переходе сплава из жидкого состояния в твердое происходит усадка - уменьшение объема. В результате усадки между зернами в местах соприкосновения растущих дендритов, в междуосных пространствах возникают микропустоты, которые могут заполняться неметаллическими включениями (сульфидами, фосфидами) или оставаться микроскопическими раковинами и порами. Такие включения и поры ухудшают механические свойства сплава, так как при его нагреве и приложении к нему нагрузок становятся очагами развития трещин, надрывов и тому подобных дефектов.