Закономерности кристаллизации металлов и сплавов.

Структура сплавов образуется в результате фазовых превращений и взаимодействия компонентов, входящих в состав сплава. Фаза – состояние вещества, в данном случае металла или сплава. Фазовое превращение – переход вещества из одного состояния в другое при изменении внешних условий, в первую очередь температуры. В металлах и металлических сплавах происходят следующие фазовые превращения:

1. Превращение жидкости в твердое тело при охлаждении (первичная кристаллизация). Первичная кристаллизация чистых металлов происходит при постоянной температуре, а сплавов – в интервале температур;

2. Изменение структуры в твердом состоянии, как при нагреве, так и при охлаждении (перекристаллизация, вторичная кристаллизация);

3. Превращение твердого тела в жидкость при нагреве (плавление).

Сущность первичной кристаллизации заключается в образовании атомно-кристаллической структуры сплава. При вторичной кристаллизации происходит ее перестройка, а при плавлении – ее разрушение. Эти процессы имеют одинаковый механизм – диффузионный. Диффузия – тепловое движение элементарных частиц в жидкости или твердом теле на расстояния большие, чем период решетки.

Если представить металлы или сплавы, как некие системы, то общей закономерностью указанных превращений будет стремление каждой системы к термодинамическому равновесию, характеризуемому минимальным запасом свободной энергии G (рис.7).

Рис.7. Влияние температуры на свободную энергию системы и характер фазовых превращений. Ж - жидкость; Т – твердая фаза;tP– температура равновесия;tK –температура кристаллизации; Δt – степень переохлаждения, Δt=tp-tк.

Если t=t_p, то G_T=G_ж, процессы кристаллизации и плавления идут параллельно и не один из них не преобладает. Если t=t_к, то G_T<G_ж и процесс кристаллизации становится преобладающим. Приt>t_pпреобладающим становится процесс плавления, так как G_ж <G_T.

Основными параметрами процесса кристаллизации являются число центров кристаллизации (ЧЦК) и скорость роста кристаллов (СРК). Значительное влияние на эти параметры оказывает степень переохлаждения Δt (рис.8).

Рис.8.	Влияние степени переохлаждения Δt на параметры кристаллизации; Δt1 <Δt2 <Δt3.

При температуре равновесия t_pпараметры Ч.Ц.К. и С.Р.К. равны нулю и кристаллизация не идет. При увеличении степени переохлаждения параметрыЧ.Ц.К. и С.Р.К. возрастают; чем больше их значения, тем быстрее идет кристаллизация и меньше размеры кристаллов. В основе этого процесса диффузия атомов в жидком металле. При Δt<Δt₃ диффузия подавляется, параметры кристаллизации стремятся к нулю, и образуется не кристаллическая, а аморфная структура. Однако на практике реализуются степени переохлаждения, при которых образуется кристаллическая структура металла (Δt Δt₃).

В технических металлах и сплавах всегда есть примеси. Поэтому на значения ЧЦК и СРК в этих материалах влияет как Δt, так и наличие тугоплавких частиц примесей , имеющихся в них, и являющихся дополнительными центрами кристаллизации. Наибольшее измельчение структуры сплава достигается при модифицировании. Это введение в жидкий металл перед заливкой небольшого количества специальных добавок - модификаторов. Они практически не влияют на химический состав сплава, но образуют многочисленные тугоплавкие частицы, которые становятся готовыми центрами кристаллизации. Стали модифицируют алюминием, ванадием, титаном. Модифицирование обеспечивает однородное мелкозернистое строение сплава и при малых значениях Δt, что особенно важно для отливок больших сечений.

Кристаллы, образующиеся в процессе затвердевания металла, могут иметь различную форму и размеры в зависимости от условий охлаждения, количества примесей и наличия модификаторов. В технических металлах и сплавах при кристаллизации чаще образуются древовидные кристаллы, получившие название дендритов (рис.9).

Рис.9.	Схема дендрита. 1,2,3 – оси соответственно первого, второго и третьего порядков

Рост дендритов при кристаллизации продолжается до тех пор, пока они не соприкоснутся друг с другом. Затем затвердевает металл в межосевом пространстве, и дендриты превращаются в кристаллы неправильной формы. Такие кристаллы называют кристаллитами или зернами, они могут иметь вытянутую или глобулярную форму.

В процессе кристаллизации примеси, как правило, оттесняются в жидкую часть кристаллов и слитка в целом. Это приводит к их неравномерному распределению, как в пределах каждого кристалла, так и в различных зонах слитка. Такое явление называют ликвацией, соответственно дендритной и зональной.