5. Число центров кристаллизации. Величина зерна.
С
Рис. 9. Зависимость скорости роста
и числа
зародышей от температуры.
При равновесной температуре ЧЗ и СР=0 и кристаллизация не происходит. При увеличении степени переохлаждения ЧЗ и СР увеличиваются до определенного значения, а затем снижаются, то есть, с увеличением степени переохлаждения скорость образования зародышей значительно опережает скорость их роста.
Объясняется это следующим: с повышением степени переохлаждения разность энергий Гиббса жидкой и твердой фаз увеличивается, то есть возрастает скорость образования зародышей. Но с уменьшением температуры падает диффузионное перемещение атомов в металле, необходимое для роста зародышей, вследствие чего их рост затрудняется.
При очень большой степени переохлаждения энергии Гиббса оказывается недостаточно для образования зародышей и роста их числа.
Чем больше скорость образования зародышей и меньше скорость их роста, тем мельче размер кристалла и структура металла более мелкозернистая. При небольшой степени переохлаждения число зародышей мало, а их размеры велики, следовательно, и структура получается крупнозернистой.
Размер зерна очень сильно влияет на механические свойства металлов. Например, вязкость и пластичность тем выше, чем мельче зерно. На размер зерна оказывает влияние не только степень переохлаждения, но и температура нагрева и разливки жидкого металла, его химический состав.
6. Гетерогенное образование зародышей. Модифицирование.
Самопроизвольное образование зародышей может происходить только в высокочистом металле при больших степенях переохлаждения.
В реальном сплаве источником образования зародышей являются твердые частицы (неметаллические включения). Если кристаллическая решетка примеси одинакова с кристаллической решеткой металла и параметры сопрягаемых решеток одинаковы (отличие не более 9%), то эти примеси служат готовыми центрами кристаллизации. Такое структурное сходство между поверхностями металла и примесями приводит к уменьшению критического размера зародыша; и затвердевание жидкости начинается при меньшем переохлаждении, чем при самопроизвольном зарождении. Чем больше примесей, тем больше центров кристаллизации. Такое образование зародышей называется гетерогенным.
Модифицирование—использование специально вводимых в жидкий металл примесей (модификаторов) для получения более мелкого зерна. Эти примеси, не вызывая изменения химического состава сплава, вызывают измельчение зерен при кристаллизации.
Как правило, при литье модифицирование проводят введением в расплав добавок, образующих тугоплавкие соединения (карбиды, нитриды). Эти мельчайшие соединения служат зародышами (модификаторы I рода). Например, в качестве модификаторов для стали могут использовать Al, V, Ti.
Иногда используют модификаторы II рода. Они адсорбируются на кристаллическом зародыше и не дают ему увеличиваться в размерах.