ається анізотропією.
2. Процес кристалізації розплавів металів
.1 Кристалізація металів і сплавів
Кристалізація - перехід металу (сплаву) з рідкого стану в твердий - відбувається в умовах, коли розплав переходить до термодинамічно більш стійкого стану з меншою вільною енергією (вільна енергія кристала менше вільної енергії рідкої фази).
Вплив температури на вільну енергію рідкої (G ж) і твердої фази (G т) показано на рис. 1а.
При температурі плавлення Т пл рідка і тверда фази існують одночасно. Реальний процес кристалізації протікає при переохолодженні металу нижче теоретичної температури кристалізації Т пл. Величина? Т=Т пл - Т кр називається ступенем переохолодження.
Термічні криві, що характеризують процес кристалізації чистих металів при охолодженні з різною швидкістю, наведено на рис. 1 б (v- швидкість охолодження, v 1 lt; v 2 lt; v 3).
Спочатку, коли метал знаходиться в рідкому стані, температура системи зменшується плавно. При досягненні температури Т пл на кривій охолодження з'являється горизонтальна майданчик, оскільки відвід теплоти в навколишнє середовище компенсується що виділяється при кристалізації прихованою теплотою кристалізації.
Після закінчення кристалізації температура знову зменшується плавно. При повільному охолодженні (v 1) ступінь переохолодження мала, і кристалізація протікає при температурі, близькій до теоретичної температурі кристалізації Т пл. Зі збільшенням швидкості охолодження ступінь переохолодження зростає, і кристалізація відбувається при більш низьких температурах.
Малюнок 1. Охолодження розплаву і початок кристалізації
а - зміна вільної енергії (G) в рідкому (G Ж) та твердому (G т) стані в залежності від температури: Ткр - температура початку кристалізації; Т пл - температура, при якій рідка і тверда фази існують одночасно; ? T - ступінь переохолодження; б - криві охолодження металів при кристалізації:? T 1,? T 2,? T 3 - ступінь переохолодження при швидкості охолодження v 1, v 2, v 3 відповідно.
Чим «чистіше» рідкий метал, тим вище температура переохолодження. Процес кристалізації починається з освіти кристалічних зародків (центрів кристалізації) і продовжується в процесі зростання їх кількості і розмірів. З підвищенням ступеня переохолодження збільшуються число зародків і швидкість кристалізації. Але при подальшому підвищенні ступеня переохолодження швидкість росту зародків і швидкість кристалізації зменшуються.
Зростання кристалів полягає у приєднанні до зародкам все нових атомів з рідкої фази (рис. 2 а). Центри кристалізації - зародки (чорні квадрати) - мимовільно виникають при переохолодженні металу. Дуже маленькі зародки нестійкі, виникнувши, вони розчиняються. Чим більше ступінь переохолодження, тим стійкіше зародки, тим менше їх критичний розмір. Далі зародки збільшуються в розмірі, одночасно з'являються нові зародки.
Поки число зародків невелика, кристали ростуть вільно і зберігають правильну геометричну форму. У місцях зіткнення окремих кристалів зростання їх окремих граней припиняється, розвиваються грані в тих місцях, де є вільна рідина. У результаті кристали не мають правильної геометричної форми. Такі кристали називаються кристаллитами. Чим більше центрів кристалізації, тим більше утворюється кристалів у даному обсязі, тим дрібніше остаточний розмір кристалів. Однак зменшення швидкості зародження числа зародків при критичних температурах обмежує можливість регулювання їх розміру підвищенням швидкості охолодження.
З метою регулювання розмірів зерен часто застосовують штучне введення в розплав речовин, що створюють центри кристалізації (модифікування). У технічних металах в якості центрів кристалізації часто виступають сторонні включення (наприклад, шлакові включення, частинки футеровки печі, оксиди металів).
Рис. 2. Схема кристалізації металу
а - схема росту кристалів; б - структура дендрита; в - схема освіти дендрита; ?- Зародки; 1, 2, 3 - осі кристалізації.
У більшості випадків кристалізація металів відбувається з великою швидкістю (кристалізація при заливці металу в виливницю, кристалізація розплаву при литті в металеві форми). При прискореному охолодженні металу кристали ростуть нерівномірно. Зростання зародків по одній з осей (в напрямку найбільшого градієнту температур) значно випереджає зростання по інших осях, відбувається так звана дендритная кристалізація.
Д.К.Чернов, описуючи зростання дендрита (рис. 2 б), ввів поняття «порядок осей кристалізації». Після утворення зародка його розвиток (рис. 2...
