Несложные геометрические расчеты позволяют найти отноше­ ние объемов сегмента (Vc) с высотой h и полной сферы (V) при фор­ мировании зародыша на плоской подложке, а также определить ко­ синус краевого угла смачивания:

Отсюда следует, что наибольший выигрыш на пути уменьшения объема зародыша достигается при уменьшении краевого угла смачи­ вания (увеличении cos 0). Если дозародыш формируется на вогнутой подложке, например в трещине или другом углублении изложницы или формы, то даже при ничтожном переохлаждении он становится зародышем и получает возможность дальнейшего роста.

При получении отливок зона наибольшего переохлаждения на­ ходится в месте контакта расплава со стенкой формы, здесь обычно и начинается зародышеобразование и дальнейший рост кристаллов.

3.3. Кинетика кристаллизации

На процесс формирования кристаллического строения отливки оказывает влияние и кинетика процесса кристаллизации, характери­ зующая его протекание во времени.

Систематическое исследование кинетики кристаллизации пер­ вым провел Г Тамман. Он развил идею Д.К. Чернова о том, что в процессе кристаллизации следует различать две стадии: образова­ ние зародышей кристаллов (зачатков, по Чернову) и роста этих заро­ дышей. Тамман ввел количественные параметры для описания про­ цесса кристаллизации: скорость зарождения центров кристаллизации Кц.к и скорость роста кристаллов Кр к.

Наблюдая за кристаллизацией прозрачных органических ве­ ществ, Тамман установил, что оба параметра зависят от переох­ лаждения. Графически эта связь показана на рис. 28. Обе кривые имеют максимум, но при различном переохлаждении. На некотором участке вблизи от равновесной температуры, т.е. при малых переох­ лаждениях, оба параметра практически равны нулю. Этот участок называют интервалом метастабильности расплава Д71'. Интервал ме­ тастабильности для скорости роста ДГ'| меньше, чем для числа цент­

в том, что при кристаллизации металлов и сплавов обычно реализу­ ются только восходящие ветви кривых. Но в последнее время приме­ нение сверхвысоких скоростей охлаждения (104 °С/с и выше) позво­ лило достичь таких переохлаждений, при которых металлические сплавы переходят в аморфное состояние.

Взаимное положение кривых показывает, как можно регулиро­ вать размер зерна в отливках. При малых скоростях охлаждения и соответственно малых АТ число возникших зародышей (центров кристаллов) мало, а скорость их роста достаточно велика. В резуль­ тате в отливке образуется крупнозернистая структура. При больших переохлаждениях зародышей, способных к росту, значительно боль­ ше и получается мелкозернистая структура.

3.4. Механизм кристаллизации

Образование дозародышей и последующий рост кристаллов происходят путем присоединения атомов из расплава к поверхности твердой фазы. Этот процесс зависит от того, есть ли на этой поверх­ ности позиции, пригодные для присоединения и закрепления атомов. Для этого необходимо знать, как выглядит граница раздела между твердой и жидкой фазами. Если рассматривать твердую фазу в виде кристалла, не имеющего дефектов строения, то граница, отделяющая

ведены выше. Будем рассматривать их как некоторые безразмерные критерии оценки мест, пригодных для присоединения.

Рис. 30. Варианты переходов частиц жидкости на поверхность кристалла

Наиболее выгодно присоединение частиц к ступени и особенно к излому на ступени. У частицы, осевшей на гладкой поверхности, много шансов уйти обратно в жидкую фазу раньше, чем она путем поверхностной диффузии достигнет ступени и закрепится на ней. Таким образом, если на гладкой поверхности имеется ступень, то рост кристалла происходит путем достраивания этой ступени. Таким механизмом роста можно объяснить то, что поверхности свободно растущего кристалла представляют собой плоские грани. Поскольку единичные атомы слабо удерживаются на гладкой поверхности, то новые ступени на ней могут образоваться только путем присоеди­ нения более устойчивых двумерных зародышей (плоское скопление двух и более атомов). Вероятность такого события при малых пере­ охлаждениях невелика, поэтому и рост кристаллов должен быть мед­ ленным и пропорциональным величине переохлаждения. В боль­ шинстве случаев скорость кристаллизации оказывается значительно более высокой, чем в случае, показанном на схеме. На это указывает и зависимость скорости роста от переохлаждения (см. рис. 28). После интервала метастабильности скорость резко возрастает. Объяснение этому было найдено при обнаружении дислокационного механизма кристаллизации. Если на грани кристалла появится винтовая дисло­