6. Кристаллизация металлов

Общая характеристика процесса. Еще Д.К.Черновым было ус­тановлено, что процесс кристаллизации состоит из двух элемен­тарных процессов: зарождения центров кристаллизации и роста кристаллов из этих центров.

При температурах, близких к температуре затвердевания, в жидком металле образуются небольшие группировки атомов, так называемые флуктуации, в которых атомы упакованы так же, как в твердых кристаллах. Из части этих флуктуации образуются заро­дыши, или центры кристаллизации. С увеличением степени пере­охлаждения возрастает число центров кристаллизации, образую­щихся в единицу времени. Вокруг образовавшихся центров крис­таллизации начинают расти кристаллы. Одновременно в жидкой фазе образуются новые центры кристаллизации. Увеличение об­щей массы затвердевшего металла происходит как за счет возник­новения новых центров кристаллизации, так и за счет роста суще­ствующих. Схема последовательных этапов процесса затвердевания приведена на рис .2.12

Взаимным ростом кристаллов объясняется неправильная фор­ма зерен. Реальные твердые кристаллы .неправильной формы на­зываются кристаллитами.

Суммарная скорость кристаллизации зависит от хода обоих эле­ментарных процессов и определяется скоростью зарождения (СЗ) центров кристаллизации и скоростью роста (CP) кристаллов из этих центров (рис. 2.13). Величины СЗ и CP зависят от степени переохлаждения ∆T. При равновесной температуре ∆Т= 0; СЗ = 0; CP = 0. С увеличением ∆T растет разность свободных энергий ∆F= Т_ж - F_TB, где F_M, F_TB — свободная энергия жидкого и твердого металла соответственно, и при хорошей подвижности атомов СЗ и CP увеличиваются и достигают максимума. Последующее умень­шение СЗ и CP объясняется снижением подвижности атомов при снижении температуры. При малых значениях коэффициента диф­фузии затруднена перестройка атомов жидкости в кристалличес­кую решетку твердого тела. При очень сильном переохлаждении СЗ и CP равны нулю, жидкость не кристаллизуется, а превращает­ся в аморфное тело.

Для реальных металлов, как правило, реализуются лишь вос­ходящие ветви кривых СЗ и CP, и с ростом степени переохлаж­дения увеличиваются скорости обоих процессов.

От соотношения СЗ и CP зависит размер зерен. При малом пе­реохлаждении, например при заливке металла в земляную форму с малой теплопроводностью или подогретую металлическую фор­му, CP велика, СЗ мала. В этом случае в объеме образуется неболь­шое количество крупных кристаллов. При увеличении ∆Т в случае заливки жидкого металла в холодные металлические формы СЗ возрастает, что приводит к образованию большого количества мел­ких кристаллов.

Размер зерна определяется не только степенью переохлажде­ния. Важную роль играют температура нагрева и разливки металла, его химический состав и особенно присутствие посторонних при­месей. В реальных условиях самопроизвольное зарождение крис­таллов в жидком металле затруднено. Источником образования за­родышей служат различные твердые частицы: неметаллические включения, оксиды, продукты раскисления. Чем больше примесей, тем больше центров кристаллизации, тем мельче зерна. Иногда в металл специально вводят вещества, кото­рые при кристаллизации способствуют измельчению зерна. Эту опе­рацию называют модифицированием. При введении в магниевые сплавы магнезита зерно уменьшается более чем в 10 раз: от 0,2...0,3 мм до 0,01... 0,02 мм. Для стали модификаторами являются: алюминий, ванадий, титан, для чугуна — магний.