Механизм процесса кристаллизации

Процесс кристаллизации расплава состоит из двух одновременно протекающих подпроцессов - зарождения и роста кристаллов.

В жидком расплаве всегда случайным образом возникают скопления атомов с упорядоченной кристаллической структурой. В следующий момент времени эти зародыши кристаллов могут раствориться, а могут увеличиться в размерах. Существует некоторый критический размер зародышей r_k. Все скопления атомов (т.е. зародыши) меньшего размера в дальнейшем растворяются, а большего - растут, становясь центрами кристаллизации.

И рост зародышей, и их растворение сопровождается понижением свободной энергии системы. Таким образом, наибольшей свободной энергией обладают зародыши критического размера (r_k).

Число центров кристаллизации, образующихся в единицу времени, или, по-другому, скорость образования зародышей (С.О.З.), так же как и скорость роста кристаллов (С.Р.К.), зависят от степени переохлаждения расплава. Эту зависимость отражает следующий график:

 

 

 

При ΔТ = 0 (т.е. когда Т = Т_S) скорость роста кристаллов и скорость образования зародышей равны нулю. Другими словами при температуре Т_S процесс кристаллизации не идёт.

С увеличением ΔТ скорость роста кристаллов и скорость образования зародышей нарастают, а затем, достигнув максимума, начинают уменьшаться асимптотически до нуля. Нарастание скорости роста кристаллов и скорости образования зародышей связано с тем, что при увеличении степени переохлаждения расплава увеличивается выигрыш в энергии ΔF, обусловленный переходом металла из жидкого состояния в кристаллическое. Выигрыш в энергии расходуется на образование границы раздела между жидкой и твердой фазами. Чем крупнее зародыш, тем меньше отношение его поверхности к объему и поэтому выигрыш в энергии перекрывает затраты на образование границы раздела. Такой зародыш оказывается энергетически выгодным и в дальнейшем будет расти. У очень маленьких зародышей (меньших r_k) отношение поверхности к объему больше. В результате скрытой теплоты кристаллизации ΔF не хватает на образование поверхности раздела. Такой зародыш оказывается энергетически не выгодным и в дальнейшем будет растворен. С увеличением степени переохлаждения расплава и, следовательно, увеличением ΔF, всё более мелкие зародыши оказываются энергетически выгодными. Другими словами с повышением степени переохлаждения расплава растёт число зародышей способных к дальнейшему росту.

Уменьшение скорости роста кристаллов и скорости образования зародышей при дальнейшем увеличении степени переохлаждения расплава связано с уменьшением подвижности атомов при низких температурах.

При очень высоких степенях переохлаждения расплава процесс образования и роста зародышей оказывается подавленным из-за чрезвычайно низкой подвижности атомов. В результате формируется аморфное состояние материала.

При относительно невысоких степенях переохлаждения расплава ΔТ₁ С.Р.К. преобладает над С.О.З. (рис. 3.3). Образуется относительно небольшое число зародышей, которые быстро растут, в результате чего формируется крупнозернистая структура металла. При больших степенях переохлаждения ΔТ₂ С.О.З. преобладает над С.Р.К. Образуется много зародышей, которые не так быстро растут, в результате чего формируется мелкозернистая структура материала.

Таким образом, с увеличением степени переохлаждения расплава, зёрна затвердевшего металла уменьшаются в размере.

 

Строение слитка металла

Зависимость размера зёрен металла от степени переохлаждения расплава наглядно демонстрирует структура слитка металла, в частности структура слитка затвердевшей углеродистой стали (рис. 3.4.).

Этот слиток обнаруживает три характерные зоны: мелкозернистую корочку – 1, зону вытянутых столбчатых кристаллов – 2 и зону неориентированных крупных кристаллов – 3.

Кристаллизация расплава начинается с формирования зоны 1, т.е. со стенок литейной формы, где горячий расплав соприкасается с относительно холодной поверхностью формы. Поскольку степень переохлаждения расплава здесь очень высокая, зёрна металла оказываются мелкими.

 

 

Рис. 3.4. Структура слитка стали

 

На следующем этапе кристаллизации формируется зона столбчатых кристаллов (зона 2). Степень переохлаждения расплава здесь значительно меньше и поэтому зёрна вырастают крупными. В тоже время рост кристаллов происходит в сторону противоположную отводу тепла – от стенок к центру слитка, поэтому зёрна оказываются ориентированными перпендикулярно стенкам формы.

Центральная часть слитка (зона 3) формируется на заключительном этапе кристаллизации. Поскольку степень переохлаждения расплава здесь небольшая, а тепло отводится во все стороны равномерно, зёрна в этой зоне оказываются крупными и неориентированными, т.е. округлыми.

В верхней части слитка формируется усадочная раковина, что связано с уменьшением объема металла при затвердевании. В этой области обычно собираются всевозможные загрязнения и неметаллические включения. Поэтому область слитка с усадочной раковиной подлежит удалению.

 

4. ДЕФОРМАЦИЯ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ