§ 10 Механизм процесса кристаллизации.

Процесс кристаллизации, как впервые установил в 1878 г. Д. К. Чернов, начинается с образования кристаллических зародышей (центров кристал­лизации) и продолжается в процессе роста их числа и размеров.

В жидком состоянии атомы вещества, вследствие теплового движения, перемещаются беспорядочно. В то же время в жидкости имеются группировки атомов небольшого объёма, в пределах которых расположение атомов вещества во многом аналогично их расположению в решётке кристалла. Эти группировки неустойчивы, они рассасываются и вновь появляются в жидкости. При переохлаждении жидкости некоторые из них, наиболее крупные, становятся устойчивыми и способными к росту. Эти устойчивые группировки атомов наз. центрами кристаллизации (зародыша-ми).

Зародыши, возникающие в процессе кристаллизации, могут быть различной величины. Рост зародышей возможен только при условии, если они достигли определённой величины, начиная с которой их рост ведёт к уменьшению свободной энергии.

В процессе кристаллизации свободная энергия системы, с одной стороны, уменьшается, вследствие перехода некоторого объёма жидкого металла в твёрдый, а с другой стороны, возрастает в результате образования поверхности раздела с избыточной поверхностной энергией.

Минимальный размер зародыша, способного к росту при данных температурных условиях, наз. критическим размером зародыша, а сам зародыш критическим, илиравновесным.

При температуре, близкой к T_П.Кразмер критического зародыша должен быть очень велик и вероятность его образования очень мала.

С увеличением степени переохлаждения величина fвозрастает, а величина поверхностного натяжения на границе раздела фаз изменяется незначительно.

С увеличением степени переохлаждения(или с понижением темпера­туры кристаллизации)размер критического зародыша уменьшаетсяи будет меньше работа, необходимая для его образования. В связи с этим, с увеличением степени переохлаждения, когда становятся способными к росту зародыши всё меньшего размера,сильно возрастает число зародышей или скорость их образования.

Рост зародышейкристаллизации происходит в результате перехода атомов из переохлажденной жидкости к кристаллам. Кристалл растёт послойно, при этом каждый слой имеет одноатомную толщину.

Пока образовавшиеся кристаллы растут свободно, они имеют более или менее правильную геометрическую форму. Однако при столкновении растущих кристаллов их правильная форма нарушается, т. к. в этих участках рост граней прекращается. Рост продолжается только в тех направлениях, где есть свободный доступ “питающей” жидкости. В результате растущие кристаллы, имевшие вначале геометрически правильную форму, после затвердевания получают неправильную внешнюю форму и поэтому наз.кристаллитами или зёрнами.

В растущем кристалле всегда имеются дислокации. В месте выхода на поверхность винтовой дислокации имеется ступенька, к которой легко присоединяются атомы, поступающие из жидкости.

§ 11. Число центров кристаллизации и скорость

роста кристаллов. Величина зерна.

Скорость процесса и окончательный размер кристаллов при затвердевании определяется соотношением скоростей роста кристаллов и образования центров кристаллизации.

Скорость образования зародышейизмеряется числом зародышей, обра­зующихся в единицу времени в единице объёма 1/см³ с (1 мм^-3 с^-1) ч. з.

Скорость роста зародышей– увеличением литейного размера расту­щего кристалла в единицу времени (мм/с) с.р.

Чем больше скорость образования зародышей и чем больше скорость их роста, тем быстрее протекает процесс кристаллизации. Оба процесса свя­заны с перемещением атомов и зависят от температуры.

Рис. Схема зависимости ч. з. и с. р., fиv(средней скорости от кристаллизации) от степени переохлажденияt.

При равновесной температуре кристаллизации Т_П.К.число зародышей и скорость роста равны 0, поэтому кристаллизация не происходит. При увеличении степени переохлаждения скорость образования зародышей и скорость их роста возрастают, при определённой степени их переохлаждения достигает максимума, после чего снижаются. С увеличением степени переохлаждения скорость образования зародышей возрастает быстрее, чем скорость их роста.

Для металлов, которые в обычных условиях кристаллизации не склонны к большим переохлаждениям, как правило, характерны восходящие ветви кривых. Это значит, что при небольших величинах степени переохлаждения, когда велик размер критического зародыша, а скорость образования зародышей мала, при затвердевании формируется крупнокристаллическая структура.

Небольшие степени переохлаждения достигаются при заливке жидкого металла в форму с низкой теплопроводностью (земляная, шамотовая) или в подогретую металлическую форму.

Увеличение степени переохлажденияпроисходит при заливке жидкого металла в холодные металлические формы, а также при уменьшении толщины стенок отливки. Поскольку при этом скорость образования зародышей увеличивается более интенсивно, чем скорость их роста,получаются более мелкие кристаллы.

Величина зерна находится в следующей зависимости от числа зародышей и скорости роста:

Размер зерна металла сильно влияет на его механические свойства. Эти свойства, особенно вязкость и пластичность, выше, если металл имеет мелкое зерно.

Величина зерна зависит не только от степени переохлаждения, но также и от температуры нагрева и разливки жидкого металла, его химического состава и особенно присутствия в нём посторонних примесей.