Глава 3. Процесс кристаллизации расплава и его влияние на структуру и свойства Ме

§1. Общие представления о процессе кристаллизации

Атомы в кристаллах расположены регулярно на расстоянии периода решетки а.

Потенциальная энергия минимальна.

Процесс кристаллизации расплава ведет к снижению внутренней энергии расплава, это сопровождается выделением тепла.

Образование центров кристаллизации

Расплав:

(1) – распад из тепловых колебаний;

(2) – подрастает, становится центром кристаллизации – самопроизвольная кристаллизация.

Рост кристалла из сплава

1. Атом из расплава легче закрепляется на ступеньке, следовательно, кристалл растет, последнее заполнение атомов плоскостей.

2. С большей скоростью будут заполняться плотно упакованные плоскости, кристалл растет всегда в одну сторону и точно известно, в какую, – под прямым углом к наиболее плотной плоскости.

(1) – ось I порядка, (2) – ось II порядка, (3) – ось III порядка, (4) – зародыш.

Кристалл имеет дендритное строение (в виде дерева).

Недостаток – ликвация (первые и последние кристаллы всегда имеют разный химический состав). Процесс кристаллизации заканчивается возникновением поликристалла.

Форма зерен зависит от направления теплоотвода. Если тепло отводится в одну сторону, то зерно вытянутое, столбчатое, если в разные – зерно равноосное.

§2. Термодинамические условия начала процесса кристаллизации

G – запасенная внутренняя энергия (энергия Гиббса);

∆t – степень переохлаждения расплава

При температуре t_s кристаллизация вещества не может начаться, т.к. это не создаст никакого выигрыша во внутренней энергии. Кристаллизация может начаться при t_s’, когда процесс дает выигрыш в энергии G_V.

Баланс энергии:

1) - выигрыш (V – объем зародыша);

2) - затрата (σ – удельная поверхностная энергия, S – площадь поверхности зародыша.

Если > - момент начала кристаллизации.

критический зародыш – произвольный кристалл

, чем больше ∆G_V , чем больше ∆t, тем меньший зародыш устойчив и большее их количество будет образовываться.

С.О.Ц – скорость образования центров;

С.Р.Ц – скорость роста центров;

I - ∆t мало, значит, крупное зерно;

II - ∆t велико, значит, мелкое зерно.

§3. Возможность получения различных структур при кристаллическом расплаве

1. Получение отливок с мелким зерном (ослабление ликвации устранение столбчатых кристаллов).

● некрупные отливки – ускорить охлаждение, перелить отливку в металлическую форму или в охлажденную жидкость;

● крупные отливки - модифицирование – в жидкий Ме добавляется мельчайшие частицы (карбиды, оксиды) в качестве искусственных зародышей – несамопроизвольная кристаллизация.

1. Получение монокристалла. Применяют один зародыш (∆t_min) и отвод тепла в одну сторону, чтобы не было ветвления по дендриту. Один из способов получения монокристалла – метод Бриджмена.

1. Получение аморфного Ме.

●∆t_max;

●V_охл ≥ 10⁵ град/сек;

● химический состав: Ме(80%)Х(20%), где Х – амортизатор (Р, В);

● металлическое стекло – упругий материал, коррозионностойкий, высокие магнитные характеристики;

● крайне неравновесная система;

● микроны в сечении.

Литье – отличный метод получения детали, недостаток – деталь стынет с разной скоростью в зависимости от толщины.