Теоретические основы процесса кристаллизации металлов

Процесс образования кристаллов называется кристаллизацией. Визуальное изучение кристаллизации металлов сопряжено с техническими трудностями. Поскольку законы кристаллизации растворов солей и расплавленных металлов сходны, изучение процесса кристаллизации можно проводить на растворах солей.

Согласно законам термодинамики, устойчивым состоянием при определённых внешних условиях будет то состояние, которое обладает меньшим уровнем свободной энергии. Под свободной энергией понимают часть внутренней энергии, которая может быть превращена в работу. При изменении внешних условий (например, при понижении температуры) любая система самопроизвольно стремится к состоянию с наименьшим уровнем свободной энергии.

С изменением температуры свободная энергия жидкого G_ж и твёрдого G_т состояния изменятся по разным законам (рис. 4.2.1). При высоких температурах жидкое состояние обладает меньшей свободной энергией, поэтому металл при этих температурах находится в жидком состоянии (области III, IV). При охлаждении металл достигнет температуры Т₀, при которой свободные энергии жидкого и твёрдого состояния равны. Эта температура носит название теоретической (равновесной) температуры кристаллизации при охлаждении и температуры плавления при нагреве.

Рис. 4.2.1. Изменение свободной энергии жидкого Gж и твёрдого Gт состояния в зави­симости от температуры: Ткр − фактическая температура кристаллизации, То − теоретическая
(равновесная) температура кристаллизации и плавления, ΔТ − степень переохлаждения,
Тпл − фактическая температура плавления, ΔТ ' − степень перегрева

При Т₀ процесс кристаллизации протекать не может. Для развития процесса кристаллизации надо создать условия, при которых свободная энергия твёрдого состояния будет меньше, чем свободная энергия жидкого состояния. Это возможно лишь при охлаждении ниже Т_кр, т. е. ниже теоретической температуры кристаллизации на некоторую величину ΔТ. В области II металл при охлаждении продолжает оставаться в жидком состоянии, поскольку разность (G_ж – G_т) невелика и температура не достигла критического значения Т_кр, при котором твёрдое состояние обладает меньшей свободной энергией. При достижении Т_кр разность (G_ж – G_т) увеличивается, поэтому оставаться дальше в жидком состоянии металл не может, и при этой температуре в металле самопроизвольно начинается процесс кристаллизации.

В области I (рис. 4.2.1) металл будет находиться в твердом состоянии. Температура Т_кр носит название фактической температуры кристаллизации, а разность между теоретической и фактической температурами называется степенью переохлаждения. Таким образом, кристаллизация может протекать лишь в условиях переохлаждения ниже теоретической температуры кристаллизации.

Для развития процесса плавления необходима некоторая степень перегрева , где Т_пл – фактическая температура плавления.

Д. К. Чернов ещё в 1878 году показал, что кристаллизация складывается из двух элементарных процессов (рис. 4.2.2). Первый процесс заключается в образовании из жидкого раствора мельчайших кристаллических частиц-зародышей (центров кристаллизации). Интенсивность этого процесса определяется числом зародышей ЧЗ, возникающих в единице объёма (1 мм³) за единицу времени (1 с). Второй процесс состоит в росте кристаллов из зародышей. Интенсивность этого процесса определяется скоростью кристаллизации (СК) – линейным перемещением грани кристалла (в миллиметрах) в единицу времени (1 с).

Рис. 4.2.2. Последовательные этапы процесса кристаллизации

Рост кристаллов заключается в том, что к их зародышам присоединяются все новые атомы жидкого металла. Сначала кристаллы растут свободно, сохраняя правильную геометрическую форму, но это происходит только до момента встречи растущих кристаллов. В месте соприкосновения кристаллов рост отдельных их граней прекращается и развиваются не все, а только некоторые грани кристаллов. В результате кристаллы не имеют правильной геометрической формы и называются кристаллитами или зернами.

Процессы образования зародышей и роста кристаллов протекают одновременно, причём интенсивность их зависит от степени переохлаждения. При данной степени переохлаждения величины ЧЗ и СК – постоянные в течение всего времени процесса кристаллизации.

Размер полученных кристаллов N зависит от соотношения ЧЗ и СК при данной степени переохлаждения и выражается формулой

где α − коэффициент пропорциональности.

При малой степени переохлаждения ΔТ₁ (рис. 4.2.3) кристаллы после затвердевания будут крупными, так как ЧЗ мало, а СК велика. При большой степени переохлаждения ΔТ₂ кристаллы будут мелкими, так как кристаллизация в этом случае идёт при почти той же СК, что и в первом случае, но при значительно большем ЧЗ.

Таким образом, изменяя степень переохлаждения, можно получить кристаллы разной величины.

Рис. 4.2.3. Зависимость ЧЗ и СК от степени переохлаждения при кристаллизации металлов

Степень переохлаждения зависит от скорости охлаждения. Чем больше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждения и мельче кристаллы. В реальных условиях затвердевания больших масс металла на процесс кристаллизации, размер и форму кристаллов оказывают влияние и другие факторы: твёрдые взвешенные тугоплавкие частицы примесей, инородные тела, газовые включения, теплоёмкость самого металла, направление отвода тепла, конвекционные потоки в жидком металле, температура заливаемого металла и формы, способы заливки, состояние поверхности изложницы (формы) и другие.

Форма растущих кристаллов определяется не только условиями их столкновений между собой, но и составом сплава, наличием примесей и условиями охлаждения. В большинстве случаев при кристаллизации металлов механизм образования кристаллов носит так называемый дендритный характер.

Дендритная кристаллизация характеризуется тем, что рост зародышей происходит с неравномерной скоростью. После образования зародышей их развитие идет главным образом в тех направлениях решетки, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов (минимальное межатомное расстояние). В этих направлениях образуются длинные ветви будущего кристалла − так называемые оси первого порядка (I на рис. 4.2.4).

В дальнейшем от осей первого порядка под определенными углами начинают расти новые оси, которые называют осями второго порядка (II), от осей второго порядка растут оси третьего порядка (III) и т. д.

Рис. 4.2.4. Схема дендритного роста кристалла

По мере кристаллизации образуются оси более высокого порядка (четвертого, пятого, шестого и т. д.), которые постепенно заполняют все промежутки, ранее занятые жидким металлом.

Если жидкого металла не хватает для заполнения межосных пустот, то древовидная форма кристаллов сохраняется. Такие дендриты можно обнаружить в усадочных раковинах и на свободной поверхности слитков. Если жидкого металла достаточно для заполнения межосного пространства, то образуются крупные кристаллы, вытянутые в направлении главного теплоотвода. Такие кристаллы называются столбчатыми.

При равномерном теплоотводе, а также при большом числе зародышей, кристаллы растут с одинаковой скоростью по всем направлениям и вырастают равнооcными.

Процесс кристаллизации слитка спокойной стали (рис. 4.2.5а) начинается у стенок изложницы и последовательно продвигается к центру слитка.

У стенок изложницы (рис. 4.2.5б) образуется зона 1 − зона мелких равноосных, беспорядочно направленных кристаллов. Мелкие кристаллы получаются, благодаря быстрому охлаждению ещё холодной стенкой прилегающих слоев жидкой стали.

Поэтому кристаллизация здесь идёт при большой степени переохлаждения, при большом числе зародышей. Кристаллы получаются равноосными, беспорядочно направленными, потому что оси первого порядка растут перпендикулярно неровностям внутренней поверхности изложницы. Растущие кристаллы сталкиваются между собой и образуют зону мелких дезориентированных кристаллов.

Следующая зона 2 − зона столбчатых кристаллов − крупных кристаллов, главная ось которых перпендикулярна стенке изложницы. Кристаллы получаются крупными, так как в этой зоне скорость охлаждения меньше, чем в зоне 1, т. к тепло отводится не холодной стенкой, а через зону 1 и уже нагревшуюся стенку изложницы. Поэтому кристаллизация здесь идёт с меньшей степенью переохлаждения, с меньшим числом зародышей. Кристаллы вытянуты главной осью перпендикулярно стенке изложницы, так как в этом направлении идет главный теплоотвод. В центре слитка образуется зона 3 − зона крупных равноосных кристаллов. В этой части слитка скорость охлаждения меньше, чем в зоне 1 и 2, поэтому кристаллизация идет при малой степени переохлаждения, при малом числе зародышей. Кристаллы этой зоны получаются равноосными, произвольно ориентированными, так как отвод тепла идет во всех направлениях с одинаковой скоростью. Скелетом этих крупных кристаллов являются дендриты (рис. 4.2.5а).

а)

Рис. 4.2.5. Строение стального слитка: а) реальный слиток стали;
б) схема строения слитка: 1 – мелкие равноосные кристаллы; 2 – столбчатые кристаллы;
3 – крупные равноосные кристаллы