1.4. Кристаллизация металлов

В жидком металле атомы находятся в состоянии непрерывного движения и в их расположении нет такого порядка, как в твердом металле.

При переходе металла из жидкого состояния в твердое происходит так называемый процесс кристаллизации.

Кристаллизация состоит из двух процессов:

зарождения мельчайших частиц кристаллов (зародышей или цен­тров кристаллизации) и роста кристаллов из этих центров (рис. 4).

Рост кристаллов заключается в том, что к зародышам присоеди­няются все новые атомы из жидкого металла. В начале кристалли­зации кристаллы растут свободно, сохраняя правильную геометричес­кую форму. Но это происходит только до момента встречи растущих кристаллов. В месте соприкосновения кристаллов рост отдельных их граней прекращается и развиваются не все, а только некоторые грани кристаллов. В результате кристаллы не имеют правильной геометри­ческой формы. Такие кристаллы называют кристаллитами или зернами. Обычно говорят, что металл имеет мелкозернистое или крупно­зернистое строение.

Рис. 4. Последовательные этапы процесса

кристаллизации

Величина зерен зависит от числа центров кристаллизации и ско­рости роста кристаллов. Чем больше центров кристаллизации, тем больше кристаллов будет образовываться в данном объеме и каждый кристалл (зерно) будет меньше. На образование центров кристалли­зации влияет скорость охлаждения. Чем больше скорость охлаждения металла, тем больше возникает в нем центров кристаллизации и зёрна получаются мельче. Это подтверждается на практике - в тонких сечениях литых изделий, охлаждаю­щихся более быстро, металл всегда полу­чается более мелкозернистым, чем в тол­стых массивных литых изделиях, охлаж­дающихся медленнее. Однако не всегда можно регулировать скорость охлажде­ния.

Наиболее прогрессивным методом полу­чения мелкого зерна при затвердевании металла является создание искусственных центров кристаллизации. Для этого в расплавленный металл вводят специальные вещества, называемые модификато­рами, в связи с чем и сам процесс искус­ственного регулирования размеров зерен получил название модифицирова­ния,

Форма растущих кристаллов опреде­ляется составом сплава, наличием при­месей и условиями охлаждения. В боль­шинстве случаев при кристаллизации ме­таллов механизм образования кристаллов носит так называемый дендритный харак­тер.

Дендритная кристаллизация характери­зуется тем, что рост зародышей происходит с неравномерной скоростью. После обра­зования зародышей их развитие идет, главным образом, в тех нап­равлениях, в которых скорость теплоотвода максимальна. В этих направлениях образуется как бы ствол будущего кристалла — так называемая ось (или ветвь) первого порядка. На рис. 5 показан рост его, который происходит путем кристаллизации на нем все но­вых и новых атомных слоев из жидкости.

Рис. 5. Схема дендрита

В дальнейшем от осей первого порядка под определенными углами начинают расти новые оси, которые называются осями второго по­рядка; от ветвей второго порядка растут ветви третьего порядка и т. д.

По мере кристаллизации образуются ветви более высокого порядка (четвертого, пятого, шестого и т. д.), которые постепенно заполняют все промежутки, ранее занятые жидким металлом.

Дендритный механизм кристаллизации определяется более высокой теплопроводностью твердого металла (осей дендрита) по сравнению с жидким расплавом. В условиях, при которых не хватает жидкого металла для заполнения пространства между осями, например при затвердевании последних объемов слитка, дендритное строение выяв­ляется весьма отчетливо.