2.2. Гетерогенное образование зародышей

Самопроизвольное образование зародышей на основе фазовых и энергетических флук-туаций может происходить только в высоко чистом жидком металле при больших степенях переохлаждения.

Чаще источником образования зародышей являются всевозможные твердые частицы, которые всегда присутствуют в расплаве. Если частица примеси имеют одинаковую кри-сталлическую решетку с решеткой затвердевающего металла (так называемые изоморф-ные примеси) и параметры сопрягающихся решеток примеси и кристаллизующегося веще-ства примерно одинаковы (отличие не превышает 9%), то они играют роль готовых цен-тов кристаллизации.

Структурное сходство между поверхностями сопряжения зародыша и частицы посто-ронней примеси приводит к уменьшению размера критического зародыша, работы его обра-зования, и затвердевание жидкости начинается при меньшем переохлаждении, чем при са-мопроизвольном зарождении.

Чем больше примесей, тем больше центров кристаллизации, тем мельче получаемое зерно. Такое образование зародышей называют гетерогенным.

Модифицирование - использование специально вводимых в жидкий металл примесей (модификаторов) для получения мелкого зерна по описанному выше механизму (карбиды, нитриды, оксиды).

Например, для алюминиевых сплавов - титан, ванадий, цирконий, а для стали - алюминий, ванадий, титан.

2.3. Строение металлического слитка

Кристаллы, образующие в процессе затвердевания металла, могут иметь различную форму в зависимости от скорости охлаждения, характера и количества примесей. Чаще в 74процессе кристаллизации образуются разветвленные (древовидные) кристаллы, получившие название дендритов (рис. 15).

При образование кристаллов их развитие идет в основном в направлении перпендикулярном к плоскостям с максимальной плотностью упаковки атомов. В результате чего сперва появляются оси первого порядка, затем перпендикулярно к ним оси второго по-рядка, затем третьего и так далее.

Дендритное строение характерно для макро- и

микроструктуры литого металла (сплава).

У поверхности слитка, в результате большой скорости охлаждения образуется тонкий слой мелких равноосных кристаллов, затем по мере удаления от поверхности образуются зона удлиненных дендритных кристаллов по направлению отвода тепла, т.е. перпендику-лярно стенкам изложницы. В случае медленного охлаждения могут образоваться в середине слитка равноосные зерна с дендритной структурой (рис.16).

Хотя зона столбчатых кристаллов обладает высокой плотностью, на границах эта плотность резко уменьшается, что может привести к возникновению трещин при ковке или прокатке. Поэтому для малопластичных металлов, в том числе для стали, развитие столбча-тых кристаллов не желательно. Наоборот, для получения более плотного слитка у пластич-ных металлов (например, меди и ее сплавов) желательно распространение зоны столбчатых кристаллитов по всему объему слитка. При фасонном литье стремятся получить мелкозерни-стую равноосную структуру.

Жидкий металл имеет большой удельный объем, чем твердый; поэтому в той части слитка, которая застывает в последнюю очередь, образуется пустота - усадочная раковина. Усадочная раковина обычно окружена наиболее загрязненной частью металла, в которой по-сле затвердевания образуются микро- макропоры и пузыри.

2.4. Полиморфные превращения

Многие металлы в зависимости от температуры могут существовать в разных кристал-лических формах или, как их называют, в разных полиморфных модификациях.

В результате полиморфного превращения атомы кристаллического тела, имеющие ре-шетку одного типа, перестраиваются таким образом, что образуется кристаллическая решет-ка другого типа (рис.17 а). Полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой тем-пературе, для большинства металлов принято обозначать буквой , а при более высокой - , затем  и т.д.

Известны полиморфные превращения для металлов Fe  Fe, TiTi, Mn  Mn  Mn Mn , Sn  Sn, а так же для Ca, Li, Te, Na, Cs, Sr, Zr, большего числа редкозе-мельных металлов и др.

Полиморфное превращение протекает вследствие того, что образование новой моди-фикации сопровождается уменьшением энергии Гиббса.

В результате полиморфного превращения образуются новые кристаллические зерна, имеющие другой размер и форму, поэтому такое превращение сопровождается уменьшением внутренней энергии.

Полиморфное превращение по своему механизму - кристаллизационный процесс, осуществляемый путем образования зародышей и последующего их роста (рис.17 б).