Механизм и закономерности кристаллизации металлов

Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации называется переохлаждением, которое характеризуется степенью переохлаждения ( ):

Кристаллизация – это процесс образования участков кристаллической решетки в жидкой фазе и рост кристаллов из образовавшихся центров.

Процесс перехода металла из жидкого состояния в кристаллическое можно изобразить кривыми в координатах время – температура.

Кривая охлаждения чистого металла

– теоретическая температура кристаллизации;

_. – фактическая температура кристаллизации.

Процесс кристаллизации чистого металла:

До точки 1 охлаждается металл в жидком состоянии, процесс сопровождается плавным понижением температуры. На участке 1 – 2 идет процесс кристаллизации, сопровождающийся выделением тепла, которое называется скрытой теплотой кристаллизации. Оно компенсирует рассеивание теплоты в пространство, и поэтому температура остается постоянной. После окончания кристаллизации в точке 2 температура снова начинает снижаться, металл охлаждается в твердом состоянии.

При соответствующем понижении температуры в жидком металле начинают образовываться кристаллики – центры кристаллизации или зародыши. Для начала их роста необходимо уменьшение свободной энергии металла, в противном случае зародыш растворяется.

Величина зерен зависит от количества зародышей кристаллизации и скорости их роста. Если скорость охлаждения мала, то возникает небольшое число зародышей и в конце кристаллизации образуются крупные зерна. При большой скорости охлаждения количество зерен возрастает, но они становятся мельче. Это можно наблюдать на практике – в тонких сечениях литых деталей, где структура стали мелкозернистая, так как происходит быстрое охлаждение. Чтобы сделать зерно мелким, в металл вводят специальные вещества – модификаторы. Процесс искусственного регулирования величины зерен получил название модифицирования.

Процесс образования кристаллов носит дендритный (древовидный)

характер, на что впервые обратил внимание Д.К. Чернов

3. Условия получения мелкозернистой структуры

Стремятся к получению мелкозернистой структуры. Оптимальными условиями для этого являются: максимальное число центров кристаллизации и малая скорость роста кристаллов.

Размер зерен при кристаллизации зависит и от числа частичек нерастворимых примесей, которые играют роль готовых центров кристаллизации – оксиды, нитриды, сульфиды.

Чем больше частичек, тем мельче зерна закристаллизовавшегося металла.

Стенки изложниц имеют неровности, шероховатости, которые увеличивают скорость кристаллизации.

Мелкозернистую структуру можно получить в результате модифицирования, когда в жидкие металлы добавляются посторонние вещества – модификаторы,

Строение металлического слитка

Схема стального слитка, данная Черновым Д.К., представлена на рис.

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. Растут дендриты с направлением, близким к направлению теплоотвода. Химическая неоднородностьв кристаллах называется дендритной ликвацией.

Химическая неоднородность в разных частях слитка называется зональной ликвацией

4. Механизмы упругой и пластической деформации. Наклёп и рекристаллизация

Деформация – изменение размеров и формы тела под действием приложенных сил.

После снятия нагрузки упругая деформация исчезает, пластическая – остаётся.

В процессе пластической деформации повышается плотность дефектов кристаллического строения, зёрна вытягиваются в направлении действующих сил, внутри зёрен образуются плотные полосы скольжения дислокаций, которые дробят зёрна на отдельные блоки.

Изменение структуры сопровождается повышением пределов прочности и текучести, увеличением твёрдости и снижением пластичности (явление наклёпа).

Наклёп – упрочнение металла в результате холодной пластической деформации.

При нагреве неравновесная структура, образовавшаяся при наклёпе, переходит в стабильную. Процессы, происходящие при нагреве, подразделяются на возврат(первичная рекристаллизация ) и рекристаллизацию( вторичная ).

Рекристаллизация – процесс зарождения и роста новых равноосных зёрен в деформированном металле, при температуре выше температуры рекристаллизации, приводящий к восстановлению свойств, присущих недеформированному металлу.

При возврате различают отдых и полигонизацию.

Температура рекристаллизации

t_{p =} m ( t_пл + 273) - 273, °С,

где t_p и t_пл —температура соответственно рекристаллизации и плавления, °С; т—коэффициент пропорциональности.

При расчете температуры рекристаллизации технически чи­стых металлов (Fе, W, А1, Zn и др.) в формуле для расчета t_р принимают коэффициент пропорциональности m==0,4; для ти­тана 0,37; для меди 0,35 и т. д. Для сплавов твердых растворов этот коэффициент равен 0,5.. .0,6.