Механізм та закони кристалізації металів

Будь-яка речовина може знаходитися в трьох агрегатних станах: твердому, рідкому, газоподібному. Можливий перехід з одного стану в інший, якщо новий стан у нових умовах є стійкішим, володіє меншим запасом енерґії.

Зі зміною зовнішніх умов вільна енерґія змінюється за складним законом, відмінним для рідкого і кристалічного станів. Характер зміни вільної енерґії рідкого і твердого станів зі зміною температури показаний на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Зміна вільної енерґії в залежності від температури

Відповідно до цієї схеми, вище за температуру Т_s речовина повинна знаходитися в рідкому стані, а нижче Т_s – у твердому.

За температури, що дорівнює Т_s, рідка і тверда фази мають однакову енерґію, метал в обох станах знаходиться в рівновазі, тому дві фази можуть існувати одночасно нескінченно довго. Температура Т_s – рівноважна,або теоретична температура кристалізації.

Для початку процесу кристалізації необхідно, щоб процес був термодинамічно вигідний системі і супроводжувався зменшенням вільної енерґії системи. Це можливо за охолоджування рідини нижче за температуру Т_s. Температура, за якої практично починається кристалізація, називається фактичною температурою кристалізації.

Охолоджування рідини нижче за рівноважну температуру кристалізації називається переохолодженням, яке характеризується ступенем переохолодження (∆Т):

Ступінь переохолодження залежить від природи металу, ступеня його забрудненості (чим чистіший метал, тим більший ступінь переохолодження), швидкості охолодження (чим вища швидкість охолодження, тим більша ступінь переохолодження).

Розглянемо перехід металу з рідкого стану в твердий.

У процесі нагрівання всіх кристалічних тіл спостерігається чітка межа переходу з твердого стану в рідкий. Така ж межа існує у процесі переходу з рідкого стану в твердий.

Кристалізація – це процес утворення ділянок кристалічної решітки в рідкій фазі і зростання кристалів із центрів, що утворилися.

Кристалізація протікає в умовах, коли система переходить до термодинамічно стійкішого стану з мінімумом вільної енерґії.

Процес переходу металу з рідкого стану в кристалічний можна зобразити кривими в координатах час – температура. Крива охолодження чистого металу представлена на рис. 3.2.

Т_теор – теоретична температура кристалізації;
Т_кр – фактична температура кристалізації

Рис. 3.2. Крива охолодження чистого металу

Процес кристалізації чистого металу

До точки 1 охолоджується метал у рідкому стані, процес супроводжується плавним зниженням температури. На ділянці 1–2 відбувається процес кристалізації, що супроводжується виділенням тепла, яке називається прихованою теплотою кристалізації. Воно, компенсує розсіювання теплоти в простір, і тому температура залишається постійною. Після закінчення кристалізації в точці 2 температура знову починає знижуватися, метал охолоджується в твердому стані.

3.2. Будова металевого злитку

Схема сталевого злитку, дана Д. К. Черновим, представлена на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Схема сталевого злитку

Злиток складається з трьох зон:

1) дрібнокристалічна кіркова зона;

2) зона стовпчастих кристалів;

3) внутрішня зона крупних рівноважних кристалів.

Кристалізація кіркової зони йде в умовах максимального переохолодження. Швидкість кристалізації визначається значною кількість центрів кристалізації. Утворюється дрібнозерниста структура.

Рідкий метал під кірковою зоною знаходиться в умовах меншого переохолодження. Кількість центрів обмежена і процес кристалізації реалізується за рахунок їх інтенсивного зростання до великого розміру.

Зростання кристалів у другій зоні має направлений характер. Вони ростуть перпендикулярно стінкам виливниці, утворюються деревовидні кристали – дендрити (рис. 3.4). Ростуть дендрити за напрямом, близьким до напряму тепловідведення.

Рис. 3.4. Схема дендриту за Д. К. Черновим

Оскільки тепловідведення від металу всередині злитку в різні боки вирівнюється, то в центральній зоні утворюються крупні дендрити з випадковою орієнтацією.

Зони стовпчастих кристалів у процесі кристалізації стикуються. Це явище називається транскристалізацією.

Для малопластичних металів і для сталей це явище небажане, оскільки за подальшого пластичного деформування, кування можуть утворюватися тріщини в зоні стику.

У верхній частині злитку утворюється усадкова раковина, яка підлягає відокремленню і переплавленню, оскільки метал більш крихкий (близько 15–20 % від довжини злитку).