Самопроизвольная кристаллизация

Лекция. Формирование структуры литых материалов

Вопросы

Самопроизвольная кристаллизация

Несамопроизвольная кристаллизация

Строение слитка

Самопроизвольная кристаллизация

Процесс кристаллизации состоит из двух одновременно идущих процессов – зарождения и роста кристаллов. Кристаллы могут зарождаться самопроизвольно(самопроизвольная кристаллизация)или расти на имеющихся готовых центрах кристаллизации (несамопроизвольная кристаллизация).

Схематические мо­дели кристаллической и жидкой фаз представлены на рис. 1. В жидком металле (рис.1, б и 1,в) атомы не расположены хаотично, как в газообразном состоянии, и в то же время в их расположении нет той правильности, которая харак­терна для твердого кристаллического тела (рис. 1, а),где атомы сохра­няют постоянство межатомных расстояний и угловых соотношений на больших расстояниях (дальний порядок).

Рис.1

В жидком металле (рис. 1,б) сохраняется лишь так называемый ближ­ний порядок, когда упорядоченное расположение атомов распространяется на очень небольшое расстояние. Вследствие интенсивного теплового дви­жения атомов ближний порядок неустойчив. Микрообъемы с правильным расположением атомов, возникнув, могут существовать не­которое время, затем рассасываться и возникать вновь в другом элемен­тарном объеме жидкости и т. д. С понижением температуры степень ближ­него порядка и размер таких микрообъемов возрастают.

При температурах, близких к температуре плавления, в жидком метал­ле возможно образование небольших группировок, в которых атомы упа­кованы гак же. как в кристаллах. Такие группировки называютсяфазовы­ми флуктуациями (рис. 1.в).В чистом от примесей жидком металле наиболее крупные флуктуации превращают­ся в зародыши (центры кристаллизации).

Самопроизвольное образование зародышей на основе флуктуаций может происходить только в высокочистом жидком металле.

2. Несамопроизвольная кристаллизация.

Чаще источником образования зародышей являются всевозможные твердые частицы (неметаллические включения, окислы и т. д.), которые всегда присутствуют в расплаве. Если частицы примеси имеют одинако­вую кристаллическую решетку с решеткой затвердевающего металла (так называемые изоморфные примеси) и параметры сопрягающихся решеток примеси и кристаллизирующегося вещества примерно одинаковы (отличие не превышает 9%), то они играют роль готовых центров кристаллизации.

Чем больше примесей, тем больше центров кристаллизации, тем мель­че получается зерно.

Если неизоморфные примеси предварительно находились в контакте с кристаллами данного вещества, то строение их поверхностного слоя из­меняется, приспосабливаясь к строению кристалла. Такой процесс назы­вают активацией примесей.На активированной примеси могут адсорбиро­ваться атомы кристаллизирующего металла.

Модифицирование-использование специально вводимых в жидкий ме­талл примесей (модификаторов) для получения мелкого зерна по описан­ному выше механизму. Эти примеси, практически не изменяя химического состава сплава, вызывают при кристаллизации измельчение зерна и в ито­ге улучшение механических свойств.

Строение слитка

Кристаллы, образующиеся в процессе затвердевания металла, могут иметь различную форму в зависимости от скорости охлажде­ния и количества примесей. Обычно в направлении отвода тепла кристалл растет быстрее, чем в другом направлении, в результате образуется древовидный кристалл — дендрит (рис. 2). Схематичес­кое изображение дендрита впервые было сделано Д.К. Черновым.

Дендритное строение кристаллов являет­ся типичным для литого металла. Кристалли­зация жидкого металла начинается у стенок изложницы. При соприкосновении жидкого металла со стенками изложницы он подвер­гается интенсивному охлаждению, приводя­щему к образованию огромного числа цент­ров кристаллизации. Из-за большой скорос­ти охлаждения образовавшиеся кристаллы не успевают вырасти до значительных размеров, и поэтому первая зона слитка имеетмелко­зернистое строение (рис. 3). После обра­зования первой зоны условия кристаллиза­ции изменяются. Снижение температур ох­лаждаемого металла и повышение температуры стенок изложницы приводят к уменьшению скорости охлаждения. Для этой стадии кристаллизации характерен направ­ленный отвод теплоты перпендикулярно стенкам изложницы. В силу создавшихся ус­ловий кристаллизации кристаллы, образую­щиеся в этот момент, растут перпендикуляр­но стенкам изложницы вовнутрь жидкого ме­талла. Это приводит к образованию второйзоны слитка — зоны столбчатых кристаллов.

В процессе дальнейшей кристаллизации направленность отвода тепла теряется, ско­рость охлаждения уменьшается, и поэтому в центральной части слитка образуются круп­ные равноосные кристаллы.

По мере кристаллизации металла приме­си все более оттесняются в жидкую часть. Это предопределяет неравномерное распределе­ние элементов как в микрообъеме, так и в различных зонах слитка. Неравномерное распределение химичес­ких элементов в объеме металлов называется ликвацией.

Рис.2 Рис.3

Жидкий металл имеет больший удельный объем, чем твердый, поэтому в верхней части слитка, которая застывает в последнюю очередь, образуется усадочная раковина — пустота. Усадочная ра­ковина обычно окружена наиболее загрязненной частью металла. Верхнюю часть слитка отрезают и переплавляют, а остальной ме­талл подвергают обработке давлением.