Материаловедение
Кристаллизация металлов
Кристаллизацией называется процесс перехода металла из жидкого состояния в твердое.
Жидкость – |
Кристалл – |
|
дальний порядок |
||
ближний порядок |
||
|
||
Изотропные |
Анизотропные |
|
свойства |
||
свойства |
||
|
Кривые охлаждения.
Т = Тo-Тs степень переохлаждения
fv=(Fж.- Fтв.)/V – изменение свободной энергии на единицу объема затвердевающего вещества.
fvV - движущая сила кристаллизации.
При затвердевании энергия понижается на fvV. Возникновение границы
раздела повышает энергию на S
(S - суммарная поверхность зародышей,- удельная поверхностная энергия).
Общее изменение энергии:
Ф = - fvV + S .
Для зародыша (кубик): |
Ф= - а3 m fv + 6а2m |
Размер критического зародыша |
аk = 4 / fv |
Ф |
|
64m 3 |
96 |
m 3 |
|
2 32 m 3 |
|
96 m 3 |
|
1 m 3 |
к |
|
fv2 |
|
fv2 |
|
3 32 fv2 |
|
96 fv2 |
|
3 fv2 |
|
|
|
|
|
|
|||||
Или |
|
|
|
Фк 1 S |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
Т.е. свободная энергия на границе кристалл-жидкость на 2/3 компенсируется объемной свободной энергией, а на 1/3 - энергией флуктуации Фk.
Критический размер зародыша зависит от степени переохлаждения.
Пп-к < Пк-ж - условие для гетерогенного зарождения (Пп-к - поверхностная энергия подложка - кристалл, Пк-ж - поверхностная энергия кристалл - жидкость).
Твердая фаза - подложка, обладающая структурным и размерным соответствием с кристаллизующимся металлом облегчает
зародышеобразование, т.е. уменьшает T и увеличивает n.
Закон Вульфа-Кюри. Свободно растущий кристалл принимает такую форму, при которой удельная поверхностная энергия iFi минимальна, ( i - поверхностное натяжение, Fi - площадь любой грани,n приходящейся на
единицу объема металла).
В кристалле скорость перемещения грани пропорциональна ее
поверхностному натяжению. Форма кристалла, соответствующая минимуму удельной поверхностной энергии называется равновесной.
Рост кристалла
Двумерный зародыш
Скорость процесса и окончательный размер кристаллов при затвердевании определяются соотношением между кинетическими параметрами процесса кристаллизации: скоростью зарождения центров кристаллизации (СЗ) и линейной скоростью роста кристаллов (ЛСР).
dV/d с3n
Форма кристаллов и структура слитка
При малых Т образуются правильно ограненные кристаллы
равновесной формы.
В зависимости от условий кристаллизации и степени загрязненности могут возникать кристаллы иной формы: пластинчатые, игольчатые, в виде сфероидов и т. п. Однако, наиболее распространенной формой является дендритная (древовидная).
При затвердевании сначала растут главные оси (оси первого порядка - 1), затем - побочные оси: второго (2) и т. д. порядков.
Дендритная форма кристалла (схема)
Форма растущего кристалла зависит от температурных условий в расплаве и на поверхности раздела.
положительный |
отрицательный |
концентрационное |
температурный градиент, |
температурный градиент, |
переохлаждение, |
плоский фронт |
дендрит |
дендрит |
Строение
слитка
Слиток стали состоит из трех зон кристаллитов:
I — зона мелких кристаллов (снаружи), II — зона столбчатых кристаллов,
III — зона крупных равноосных кристаллов (в середине)