Задание. 1. Произвести нагрев и заливку модельного расплава в изложницу

Основной причиной и движущей силой процесса кристаллизации является стремление вещества к наиболее устойчивому в термодинамическом отношении, состоянию, т.е. к наименьшему запасу свободной энергии.

Различают теоретическую и фактическую температуру кри­сталлизации. Теоретическая (равновесная) температура кристаллизации (T_S) ¾это такая температура, при которой свободные энергии металла в твердом и жидком состоянии равны. При этой температуре равновероятно существование металла как в жидком, так и в твер­дом состояниях. Реально кристаллизация начинается только при некотором переохлаждении. Температура, при которой практически идет кристаллизация, называется фактической температурой кристал­лизации T_КР. Разность между теоретической и фактической тем­пературой кристаллизации называется степенью переохлаждения DT=Т_S-Т_КР. Чем больше степень переохлаждения, тем больше движущая сила кристаллизации.

Кривые кристаллизации при различных скоростях охлаждения показаны на рис. 1. При медленном охлаждении степень переохлаждения невелика и кристаллизация протекает при температуре, близкой к равновесной. Горизонтальная площадка на термической кривой объясняется выделением скрытой теплоты кристаллизации, кото­рая компенсирует отвод тепла. С ростом скорости охлаждения степень переохлаждения растет. Помимо скорости охлаждения, степень переохлаждения зависит от чистоты металла: чем чище металл, тем выше степень переохла­ждения.

Рис. 1. Температурные кривые процесса кристаллизации металла с различными скоростями охлаждения.

Процесс кристаллизации состоит из следующих двух стадий:

1) образование центров кристаллизации (зародышей);

2) рост кристаллов вокруг этих центров.

Суммарная скорость кристаллизации зависит от хода обоих элементарных процессов. Она определяется скоростью зарождения центров кристаллизации (СЗ) и скоростью роста кристаллов из этих центров (СР) (рис. 2). Величины СЗ и СР зависят от степени переохлаждения. При равновесной температуре DT = 0 и СЗ = О, СР = 0. С увеличением DT растет разность свободных энергий металла в жидком и твердом состояниях (движущая сила процесса) и при достаточно большой подвижности атомов СЗ и СР растут и достигают максимума. Последующее уменьшение СЗ и СР объясняется снижением подвижности атомов при падении температуры. При малых значениях коэффициента диффузии затруднена перестройка атомов жидкости в кристаллическую решетку твердого тела. При очень сильном переохлаждении СЗ и СР равны нулю и жидкость не кристаллизуется, а превращается в аморфное тело.

Для реальных металлов, как правило, реализуются лишь восходящие ветви кривых СЗ и СР и с ростом DТ увеличиваются скорости обоих процессов.

Рис. 2. Влияние степени переохлаждения

на скорость зарождения и роста кристаллов.

От соотношения СЗ и СР зависит раз­мер зерен. При малом переохлаждении, например, при заливке металла в земляную форму с малой теплопроводностью или подо­гретую металлическую форму, скорость роста велика, скорость зарождения сравнительно мала. В этом случае в объеме обра­зуется сравнительно небольшое количество крупных кристаллов.

При увеличении DT, в случае заливки жидкого металла в хо­лодные металлические формы, скорость зарождения возрастает, что приводит к образованию большого количества мелких кри­сталлов.

Размер зерна определяется не только степенью переохлажде­ния, но также температурой нагрева и разливки метал­ла, его химическим составом и особенно присутствием посторонних примесей.

В реальных условиях самопроизвольное зарождение кристаллов в жидком металле затруднено. Источником образова­ния зародышей служат различные твердые частицы: неметалличе­ские включения, оксиды, продукты раскисления. Чем больше примесей, тем больше центров, тем мельче зерна. Иногда в металл специально вводят вещества (модификаторы), которые при кри­сталлизации способствуют измельчению зерна. Модификаторами для стали являются алюминий, ванадий, титан; для чугуна – магний.

При кристаллизации реальных слитков и отливок важную роль играет направление отвода тепла. Схема стального слитка, данная Черновым Д.К., представлена на рис.3.

Рис. 3. Схема стального слитка.

Слиток состоит из трех зон:

1. мелкокристаллическая корковая зона;

2. зона столбчатых кристаллов;

3. внутренняя зона крупных равноосных кристаллов.

Кристаллизация корковой зоны идет в условиях максимального переохлаждения. Скорость кристаллизации определяется большим числом центров кристаллизации. Образуется мелкозернистая структура.

Жидкий металл под корковой зоной находится в условиях меньшего переохлаждения. Число центров ограничено, и процесс кристаллизации реализуется за счет их интенсивного роста до большого размера.

Рост кристаллов во второй зоне имеет направленный характер. Они растут перпендикулярно стенкам изложницы, образуются древовидные кристаллы – дендриты (рис. 4). Растут дендриты с направлением, близким к направлению теплоотвода.

Рис.4 Схема дендрита по Чернову Д.К.

Толщина зоны столбчатых кристаллов в значительной степени зави­сит от перегрева металла, так как для его затвердевания требуется от­вести не только скрытую теплоту кристаллизации, но и, в первую оче­редь, теплоту перегрева металла над точкой ликвидуса. Вследствие та­кого двухстадийного отвода тепла в жидкой сердцевине всегда имеется градиент температур. У фронта кристаллизации температура жидкости близка к температуре ее кристаллизации. По оси слитка температура жидкости вскоре после заливки изложницы близка к температуре залив­ки. В дальнейшем температура жидкости у оси постепенно снижается, так как происходит постоянный отвод теплоты перегрева жидкости. В момент, когда температура жидкости у оси становится близкой к темпе­ратуре ее кристаллизации, градиент температур в жидкой сердцевине слитка становится близким нулю, а рост столбчатых кристаллов пре­кращается. Начинается кристаллизация третьей зоны слитка - зоны крупных равноосных, неориентированных кристаллов. Незначительное переохлаждение жидкости вблизи фронта кристаллизации приводит к тому, что в этом слое может возникать небольшое количество зароды­шей кристаллизации, способных к росту. Эти кристаллы растут равно­мерно во всех направлениях и достигают большой величины, поскольку в своем росте они не мешают друг другу. Чем выше перегрев жидкости над точкой ликвидуса, тем большее ко­личество теплоты перегрева жидкости необходимо отвести. Если темпе­ратура заливки металла окажется настолько высокой, что теплота пере­грева жидкости сохраняется практически до конца кристаллизации, то столбчатые кристаллы прорастают до самой оси слитка, а третья зона кристаллизации не возникает.

Если температура заливки близка к температуре кристаллизации ме­талла, то возникают условия для раннего начала формирования третьей зоны слитка.

В процессе кристаллизации в первую оче­редь затвердевает более чистый ме­талл, поэтому границы зерен более обога­щены примесями. Неоднородность хи­мического состава в пределах дендри­та называется дендритной ликвацией.

Зоны столбчатых кристаллов в процессе кристаллизации стыкуются, это явление называется транскристаллизацией.

Для малопластичных металлов и для сталей это явление нежелательное, так как при последующей прокатке, ковке могут образовываться трещины в зоне стыка.

Основными дефектами слитка являются усадочная раковина, пористость и ликвация. Усадочная пористость обычно образуется вблизи усадочной раковины и по оси слитка. Образование усадоч­ной раковины и пористости обусловлено тем, что все металлы, кроме висмута, имеют в твердом состоянии меньший удельный объем, чем в жидком.