Скорость охлаждения и размер зерна

Число центров кристаллизации, самопроизвольно зарождающихся в металле, и скорость роста кристаллов зависит от степени переохлаждения системы, которая зависит от скорости охлаждения. Эта зависимость показана на рисунке 12. При отсутствии переохлаждения число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов равны нулю и процесс кристаллизации не идет. Для того чтобы начался процесс кристаллизации, необходимо некоторое переохлаждение.

Для металлов вследствие слабой переохлаждаемости жидкостей на опыте удалось определить лишь восходящие ветви кривых числа центров кристаллизации и скорости роста.

Рисунок 12. График зависимости числа центров и скорости роста

кристаллов от степени переохлаждения

С изменением степени переохлаждения изменяются соотношения числа центров кристаллизации и скорость роста, что и определяет размер получившихся кристаллов. При кристаллизации с большими степенями переохлаждения это приводит к получению мелкозернистого металла.

Значение скорости охлаждения подтверждается и практикой. Чем больше скорость охлаждения (например, отливка в охлаждаемую металлическую форму), тем мельче зерна. Таким образом, скоростью охлаждения можно в какой-то степени регулировать размер зерна. Однако на процесс кристаллизации, размер и форму кристаллов оказывают влияние и другие факторы: посторонние неметаллические примеси, инородные тела, газовые включения, механическое воздействие, теплоемкость и теплопроводность самого металла, температура заливаемого металл и формы, способы заливки, состояние поверхности изложницы и др.

В технических металлах и сплавах большое влияние на размер зерна оказывают мельчайшие неметаллические взвеси, образующие при взаимодействии жидкого металла с материалом печи или изложницы окислы металлов, а также окислы, вводимые специально. Все эти нерастворимые включения играют роль центров кристаллизации, способствуя получению мелкозернистого металла. Процесс искусственного регулирования размеров зерна получил название модифицирования, а вещества, которые для этой цели используют – модификаторов.

На форму образующихся кристаллов большое влияние оказывают скорость охлаждения, направление теплоотвода, наличие нерастворимых частиц, которые могут сыграть роль центров кристаллизации и т.д.

При быстром и неравномерном теплоотводе металлы кристаллизуются в виде разветвленных, дендритных (древовидных) кристаллов (рисунок 11). Кристаллизация в этом случае начинается с образования оси кристалла, которая растет в направлении главного теплоотвода. При дальнейшей кристаллизации оси разветвляются и кристалл принимает дендритное строение. Процесс заканчивается тем, что заполняются все межосные пространства и кристалл принимает округлую форму, вытянутую в направлении главного теплоотвода. Такие кристаллы называются столбчатыми. В тех случаях, когда металла не хватает для заполнения всех межосных пустот, что встречается в усадочных раковинах, дендритная форма кристалла сохраняется.

При медленном и равномерном теплоотводе, а также при большом числе центров кристаллизации кристаллы растут с одинаковой скоростью по всем направлениям и принимают равновесную форму; зернистую или полиэдрическую (многогранную).

Рисунок 13. Дендрит (схема по Д.К. Чернову)