2. Природа кластеров. Неметаллические включения в расплавах и влияние их на свойства жидких расплавов.

Первые данные рентгеноструктурного анализа, полученные в 1920-х годах, показали, что расположение атомов в жидкости не статичес­ки равномерное в любой точке, а подчиняется определенному порядку. В жидкостях вообще и в жидких металлах в част­ности при небольшом удалении от температуры кристаллиза­ции сохраняется так называемый ближний порядок, подобный 30 таковому в кристаллической решетке, где имеется еще и дальний порядок. Сущность ближнего порядка состоит в том, что число ближайших соседей любого атома сохраняется по­стоянным во времени, так же как и общее размещение бли­жайших атомов вокруг произвольного центра. При этом от­дельные атомы непрерывно меняют свою позицию, но схема общего расположения сохраняется. В настоящее время достоверно установлено существование в жидких металлах группировок в несколько десятков атомов с динамическим ближним порядком, соответствующим ближнему порядку кристаллической решетки в твердом металле. Эти группировки называют кластерами. Наряду с кластерами в жидких металлах часть объема занята бесструктурной жид­костью. Чем ближе температура к точке кристаллизации, тем большая доля объема приходится на кластеры. Чем выше тем­пература, тем больше в расплаве доля бесструктурной жид­кости. В некоторых металлах с "рыхлыми" структурами (В1,Са,Н&) обнаружены так называемые некристаллизуемые кластеры с отличным от кристаллической решетки ближним порядком.

Жидкие сплавы представляют собой сложную систему, содержащую большое количество взвешенных частиц нерастворимых примесей. Во многих случаях металлические расплавы имеют микрогетерогенное строение.

Неметаллические включения (примеси) в отливках представляют собой твердые частицы соединений компонентов сплавов с неметалличе­скими примесями. Их размеры колеблются от долей микрона до десятков микрон. Основная масса неметаллических включений в литейных сплавах делится по составу на окислы и суль­фиды. По видам источников неметаллические включения делятся на попадающие в сплав вместе с шихтой, из футеровки, материала формы (экзогенные, внесенные) и на продукты взаимо­действия компонентов сплава с примесями или добавками, с атмосферой, футеровкой (эндогенные, собственные). Эндогенные включения – это окислы, сульфиды, нитриды их в сплавах до 90%. К экзогенным – сложные окислы металлов и неметаллов, силициды. По фор­мам неметаллические включения делятся на круглые, кристал­лические, дендритные и пленочные (рис.1),

Примеси в сплавах бывают: растворимые и мало или почти нерастворимые. Растворимые примеси формируются в качестве самостоятельной фазы только при кристаллизации; нерастворимые примеси могут существовать в жидком металле в виде мелких частиц. Соединения, входящие в состав неметаллических включений, наиболее части встречающихся в литейных сплавах: сферические; кристаллические; дендритные; пленочные.

Малорастворимые включения (например, окислы в стали) при увеличении скорости кристаллизации в широком диапазоне не изменяют своих размеров.

При размерах порядка микрона всплывание происходит на­столько медленно, что очищение металла за время затвердевания даже крупных слитков практически не происходит.

Растворимые включения (например, сульфиды в стали) суще­ственно изменяются в зависимости от условий кристаллизации. При увеличении скорости кристаллизации уменьшается и их раз­мер, и объемная доля. Это объясняется тем, что при ускорении охлаждения диффузия в жидкой фазе не успевает вы­ровнять состав вблизи границ зерен. Кроме того, происходит измельчение самого зерна.