формацию только о температуре окончания кристаллизации. Ес­ ли нанести неравновесный солидус на диаграмму состояния сплавов с ограниченной раство­ римостью (рис. 44), то с его по­ мощью можно прогнозировать структуру сплава. Например, малолегированный сплав сос­ тава С\ останется однофазным твердым раствором а компонен­ та В в А9 так как на диаграмме он расположен левее новой точ­ ки предельной растворимости т\

В сплаве Сг появится неравновесная эвтектическая составляю­ щая, которой не должно быть в соответствии с равновесной диа­ граммой. При этом концентрация компонента В в кристаллах твердо­ го раствора будет соответствовать точке предельной растворимости, т.е. будет больше, чем в составе С2. Сплав состава Сз при всех скоро­ стях охлаждения будет иметь двухфазную структуру из эвтектики и твердого раствора и твердого раствора а. Если скорость охлажде­ ния увеличить, то неравновесный солидус сместится еще левее, до точки т” (штрихпунктирная линия) и сплав состава С\ будет двух­ фазным.

4.2.1.1. Концентрационное переохлаждение

Допущение о полном протекании диффузии в жидкости (£>ж -» оо) упрощает разбор схемы кристаллизации, но при реальных скоростях охлаждения так же неточно, как и допущение о полном подавлении диффузии в твердой фазе. Скорость диффузии в жидко­ сти при температуре кристаллизации, как указывалось ранее, имеет величину £)ж « 5•10“5 см2/с. Она достаточно велика, но все же остает­ ся Дк < оо. Поэтому фактический массоперенос в жидкости несколько отстает от равновесного процесса, и концентрация второго компо­ нента в ней оказывается неравномерной. Поскольку в кристаллах со­ держится меньше компонента В, чем в исходном составе Со, то избы­

рация этого компонента в расплаве, примыкающем к твердой фазе, будет выше, чем в основной массе жидкости. Характер распределе­ ния компонента В в расплаве показан на рис. 45, б. Здесь же приве­ дено изменение температуры ликвидуса сплава в зависимости от удаления от поверхности раздела фаз (х).

Это изменение вызвано изменением в расплаве концентрации компонента В. Сплав состава Со/к будет иметь меньшую температуру ликвидуса t„\ чем сплав состава С0. Легко заметить, что = tc Дей­ ствительная температура самой поверхности раздела фаз, по мнению Чалмерса [17], очень близка к t„\ отличается от нее не более чем на 0,01 °С. Это величина переохлаждения, необходимого для создания кинетической движущей силы кристаллизации.

На рис. 46 приведено распреде­ ление температур на границе раздела фаз. Линия 1 показывает температу­ ру жидкой фазы. Отвод тепла осуще­ ствляется через стенку формы, по­ этому температура расплава моно­ тонно возрастает при удалении от фронта кристаллизации. Температура ликвидуса (2) на данную схему пере­ несена с рис. 45, б. На каком-то рас­

стоянии от поверхности раздела фаз Рис. 46. Действительная темпе­ она становится равной температуре t„

сплава исходного состава С0. На всем участке до пересечения линий 7 и 2

расплав оказывается переохлажденным, так как действительная тем­ пература расплава ниже температуры. Величина этого перохлаждения при удалении от фронта кристаллизации вначале растет, дости­ гает максимума, а потом уменьшается до нуля.

Подобное явление получило сначала название конституционно­ го (у Чалмерса), а позднее концентрационного переохлаждения.

В отечественной технической литературе применяется также термин, предложенный Г.П. Иванцовым, - диффузионное переохлаждение. Использование такого термина вполне оправданно, так как переох­ лаждение вызывается неполным массопереносом в расплаве из-за недостаточной скорости диффузии.

Прежде чем рассмотреть влияние такого переохлаждения на кристаллизацию, уточним распределение температур, возникающее в результате его появления. Дело в том, что схема, представленная на рис. 46, не учитывает термическое переохлаждение, необходимое для начала кристаллизации. Степень переохлаждения на границе раздела фаз на схеме равна нулю (точнее, не более 0,01 °С, как указывалось выше), а это фактически означает, что обе фазы находятся в равнове­ сии. Но физическое явление, описанное как концентрационное пере­ охлаждение, возникает именно вследствие неравновесности кристал­ лизации. Поскольку условие равновесия при кристаллизации в ре­ альных условиях никогда не соблюдается, то всегда должно существовать значимое переохлаждение жидкости на передви­ гающейся поверхности раздела фаз. Такое термическое переохлаж­ дение показано на рис. 47, а (заштрихованная область 2).

Рис. 47. Концентрационная депрессия переохлаждения расплава

Верхняя линия 3 - это равновесная температура кристаллиза­ ции (О, а нижняя линия 1 показывает действительную температуру расплава. Наиболее переохлаждена жидкость у стенок формы. По мере роста кристаллов и одновременного накопления компонен­ та В в жидкости ее термическое переохлаждение у межфазной по­ верхности раздела все более уменьшается из-за снижения температу­ ры плавления расплава, обогащенного компонентом В (рис. 47, б). Это обстоятельство отметил А. Оно [10], он назвал его концентраци­ онной депрессией переохлаждения расплава (область 4 на рис. 47, б). Но и при таком подходе главная суть явления остается прежней. При удалении от межфазной поверхности переохлаждение вначале уве­ личивается, а затем снижается до нуля. На рис. 48 приведена схема,

(большой градиент температур в результате быстрого охлаждения), то в слое расплава толщиной х\ прямая 2 лежит ниже кривой 3. Это означает, что расплав в данном слое переохлажден. Это переохлаж­ дение является обычным термокинетическим переохлаждением, так как имеет максимум только на границе фаз (JC= 0). По мере удаления от фронта кристаллизации оно убывает. На расстоянии х\ переохла­ ждение исчезает полностью. Далее расплав будет перегрет. Следует отметить, что максимальное переохлаждение значительно меньше того, которое было бы при равновесной кристаллизации. Оно уменьшилось за счет концентрационной депрессии.

Если действительная температура описывается более пологой линией 1 (медленное охлаждение, малая скорость кристаллизации), то толщина переохлажденного слоя увеличивается до *2. Но самое главное заключается в том, что это переохлаждение будет концен­ трационным, таким же, как на рис. 47, б. Оно существует и даже воз­ растает в тех участках расплава, где действительная температура расплава повышается. Максимальная величина переохлаждения на­ блюдается на расстоянии х\ На расстоянии х", (на пересечении кри­ вой 3 и пунктирной линии 4, параллельной линии 1) переохлаждение снижается до уровня, имевшегося на границе раздела фаз, а на рас­ стоянии х2 оно исчезает. Численное значение концентрационного (диффузионного) переохлаждения зависит от скорости диффузии второго компонента в расплаве, скорости кристаллизации и от коэф­ фициента распределения к = С/Сж, который определяется положени­ ем линий ликвидуса и солидуса.