Как указывалось ранее, объемные (трехмерные) дефекты обра­ зуются на границах кристаллов из-за различной ориентации сра­ стающихся кристаллов и наличия, примесей.

3.6.Новые представления о строении жидкостей

иих кристаллизации

Как указывалось, единой теории строения жидкости, а также связанных с ней теорий плавления и кристаллизации в настоящее время пока не существует. По мнению И.В. Гаврилина [2 ], то, что указанные проблемы не решаются известными средствами, указыва­ ет на принципиальный характер имеющихся затруднений, на то, что нужны новые идеи, понятия и решения. Он предложил свой принцип подхода к строению твердых и жидких металлов (как, впрочем, и других веществ), который заключается в том, что все тела состоят в равной мере как из элементов вещества (атомов, молекул), так и из элементов пространства, обладающих свойствами физического ва­ куума. Элементы вещества и пространства в телах находятся в не­ прерывном взаимодействии. Любые свойства физических тел опре­ деляются не только свойствами элементов вещества, но и свойствами элементов пространства в них, а также зависят от особенностей взаимодействия в них элементов вещества и элементов пространства.

Вопросы для самоконтроля

1.Какая термодинамическая функция является критерием на­ правленности процесса?

2.Что обозначает термин «зародыш»?

3.Какой размер зародыша называют критическим?

4.Как определяется величина критического зародыша?

5.От чего в наибольшей степени зависит величина критическо­ го зародыша?

6. Почему зародыш не может возникнуть при температуре крис­

таллизации?

7. Какие зародыши называют гомогенными?

8 . Что такое флуктуация?

9. В чем суть теории гетерофазных флуктуаций?

10.Как можно добиться максимального переохлаждения рас­

плава?

11.Почему при кристаллизации литейных сплавов происходит преимущественно гетерогенное зародышеобразование?

12.Что способствует гетерогенному зародышеобразованию?

13.Есть ли связь между смачиваемостью и величиной критиче­ ского зародыша?

14.На какой подложке зародыш критического размера имеет наименьший объем?

15.Какие места на поверхности твердой фазы наиболее благо­ приятны для присоединения атома жидкости?

16.Что может облегчить рост кристалла?

17.Какие две величины определяют кинетику кристаллизации?

18.Постройте график зависимости параметров кристаллизации от величины переохлаждения и поясните, как оно влияет на величину зерна в сплавах.

19.Перечислите причины образования линейных дефектов

4.ФОРМИРОВАНИЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ

Когда речь заходит о кристаллах, то большинство из нас пред­ ставляет себе некие правильные, ограниченные плоскими поверхно­ стями твердые тела. Такую форму имеют кристаллы многих минера­ лов, в том числе драгоценных и полудрагоценных камней. Рост кри­ сталлов в металлических расплавах является частным случаем общей теории кристаллографии. Металлические кристаллы в начале роста также могут иметь правильную симметричную форму, но она сохра­ няется только до соприкосновения с соседними. Далее, как во всех поликристаллических телах, кристаллы растут только в ограничен­ ном объеме расплава, и правильность формы нарушается.

В зависимости от условий кристаллизации в расплавах могут расти полиэдрические, пластинчатые, игольчатые, сфероидальные и дендритные кристаллы. Самым распространенным типом кристал­ лов в металлах и сплавах являются дендриты. Наибольшее влияние на характер кристаллизации и форму кристаллов оказывают величи­ на переохлаждения и характер теплоотвода. Ниже будет рассмотрено влияние этих факторов на кристаллизацию чистых металлов и про­ мышленных сплавов.

4.1. Кристаллизация чистых металлов

После заливки чистого металла в форму в объеме расплава соз­ дается температурный градиент (от лат. gradies - шагающий), т.е. вектор, показывающий самое быстрое изменение температуры. По­

градиент, при котором затвердевание металла пойдет со скоростью, близкой к равновесной. В этом случае первые кристаллы до столк­ новения с «соседями» могут сохранять правильную полиэдрическую форму.

Поверхность раздела таких кристаллов с жидкой фазой гладкая, но со ступенями, необходимыми для застройки граней. Кристаллы вначале растут в стороны с большим переохлаждением, т.е. вдоль поверхности формы, пока не столкнутся со смежными кристаллами. После столкновения плоских кристаллов начинается их рост в на­ правлении теплоотвода. В результате они сформируют твердую ко­ рочку с плоской поверхностью раздела твердой и жидкой фаз. Ус­ тойчивость плоской формы поверхности раздела можно объяснить следующим образом. Допустим, что плоская поверхность раздела исказилась и на ней образовался выступ А, как показано на рис. 33. Этот выступ своей вершиной попадет в зону расплава с более высо­ кой температурой и, следовательно, с меньшим переохлаждением АТа. Скорость роста выступа А уменьшится, и искажение плоскости поверхности раздела исчезнет.

усплавов. При таком градиенте выступ А своей вершиной попадет в область расплава с пониженной температурой, т.е. в область более переохлажденного расплава, и скорость роста выступа увеличится. Из-за выделения теплоты кристаллизации скорость роста кристалла

уоснования выступа затормозится. Рост вершины кристалла будет опережать рост основания. На каком-то расстоянии от этого расту­ щего кристалла, там, где не сказывается действие теплоты кристал­ лизации, могут образовываться другие выступы. В результате возни­ кает ряд параллельно растущих, вытянутых по нормали к поверхно­ сти кристаллов. Их боковой рост тормозится выделяющейся теп­ лотой кристаллизации. Если на боковой поверхности этих кристаллов появятся новые выступы, то их вершины также будут на­ ходиться в расплаве с пониженной температурой и получат возмож­ ность преимущественного роста. В результате образуется ветвистая форма кристалла, называемая дендритной (греч. dendron - дерево). Внешне такие кристаллы выглядят, как маленькие елочки. В Герма­ нии их и называют «елочные кристаллы». Д.К. Чернов обнаружил кристалл дендритной формы на поверхности усадочной раковины крупного стального слитка, где он рос без помех со стороны других кристаллов. Этот кристалл (точнее, два сросшихся кристалла) был длиной в 39 см. Кристалл Чернова и некоторые дендритные кристал­ лы показаны на рис. 35. В реальных отливках кристаллы такой фор­ мы мы почти не встречаем. Они видоизменяются при срастании с со-

второго порядка (II) (ветвей). В свою очередь, на осях второго порядка зарождаются и растут оси третьего порядка (III) и т.д. (см. рис. 36).

Кроме ортогональных дендритов, у которых стволы и ветви (оси первого, второго и последующих порядков) расположены под углом 90°, встречаются дендриты с расположением главных осей под угла­ ми в 60° и 120°.

Направление роста главных осей дендритов совпадает с опреде­ ленными кристаллографическими направлениями, каждое из кото­ рых является осью пирамиды с гранями, представляющими собой наиболее плотно-упакованные плоскости. У металлов с кубическими решетками образуются, как правило, ортогональные дендриты. Оси главного порядка начинают расти в направлениях <100> (направле­ ния ребер куба). На рис. 37 показана условная схема роста главных дендритных осей у зародыша металла с ГЦК решеткой.

Рис. 37. Схема образования главных осей дендрита

Условность заключается в том, что зародыш находится в рас­ плаве во взвешенном состоянии (рис. 38, а), и все главные оси имеют одинаковые условия роста. Если кристалл зарождается на стенке формы, то скорости роста главных осей будут зависеть от их направ­ ленности. Поскольку переохлаждение расплава наиболее велико у стенок формы, то главные оси, направленные вдоль стенки, будут расти быстрее, чем главная ось, расположенная перпендикулярно стенке (рис. 38, б). Если главные оси расположены произвольно, то с наибольшей скоростью растут те, которые располагаются под мень­ шим углом к стенке (рис. 38, в, г).