HomeПростые металлы › Теория кристаллизации

Теория кристаллизации

Теория кристаллизацииРазмер зерна при первичной кристаллизации зависит прежде всего от тех условий, в которых протекает затвердевание металла, т. е. определяется различными факторами, существующими при отливке металла.

 

Такими факторами могут быть:

 

1) температура нагрева жидкого (расплавленного) металла и время выдержки при ней;

 

2) температура заливки (если производится отливка в изложницу или форму);

 

3) способы заливки (сверху или снизу — сифоном, направление струи, скорость заполнения, перемешивание, внешнее давление и т. п.);

 

4) способы охлаждения, обусловливаемые материалом формы, ее температурой и приспособлениями для искусственного замедления или ускорения охлаждения, т. е. изменения скорости охлаждения;

 

5) качество металла, особенно его загрязненность нерастворимыми примесями, посторонними включениями и т. д.

 

Число подобных факторов при кристаллизации, влияющих на структуру и, следовательно, на величину зерна затвердевшего металла, велико, и учет их для объяснения получаемых результатов затруднителен. Вот почему до настоящего времени нет такой теории кристаллизации, которая позволила бы в точности предопределить вид получаемой структуры затвердевшего слитка и размеры его зерен.

 

Хотя попытки в этом направлении и существуют, но они не всегда согласуются с получаемым на практике видом структуры слитка, и о последней приходится судить лишь на основании наблюдений, накопляемых экспериментально при исследовании макрошлифов слитков или отливок, полученных при различных условиях плавки металла, его заливки и охлаждения.

 

 

Для объяснения процесса кристаллизации наиболее известна! теория, связывающая внутренние факторы кристаллизации со степенью переохлаждения кристаллизующегося вещества.

 

Внутренними факторами являются:

1) число зародышей (центров кристаллизации), возникающих в жидкости в момент переохлаждения самопроизвольно, т. е. свойственно природе самой жидкости (без воздействия внешних, посторонних факторов);

 

2) скорость разрастания кристаллов, которую обычно определяют в одном направлении, почему и называют л и-н ей и ой, скоростью кристаллизации.

 

Закономерность изменения этих факторов в связи с переохлаждением экспериментально установил Тамман; указанную теорию кристаллизации связывают с его именем.

Тамман производил свои наблюдения не над металлами, а над органическими веществами, обладающими малой скоростью кристаллизации. Однако произведенные позднее наблюдения кристаллизации легкоплавких металлов: подтвердили правильность теории и для металлов.

 

Таким образом, согласно теории) Таммаиа строятся две кривые в связи с температурой переохлаждения, для расплавленного олова. Здесь буквами Ч. 3. обозначен первый фактор — число зародышей, возникающих в единице объема (1 мм3) в единицу времени I (1 мин.); его называют иногда скоростью самопроизвольного зарождения металла. Буквами С. К. обозначен второй фактор — линейная скорость кристаллизации, т. е. продвижение кристаллизующегося вещества в единицу времени (1 мин.) в одном направлении (в мм).

 

Как число зародышей, так и скорость кристаллизации близки к нулю при температуре нормального (равновесного) превращения Т (почти равной температуре Тпл)1 быстро возрастают по мере увеличения переохлаждения, достигают максимального значения и далее снова снижаются, приближаясь к пулю при сильных переохлаждениях.

 

Понятно, что при таких переохлаждениях, когда число зародышей или скорость кристаллизации достигает нуля, кристаллизации не будет и должно получиться аморфное твердое тело. Такие случаи можно наблюдать во многих веществах, но не в металлах, склонных\’к быстрой кристаллизации

затвердевания (переохлаждение)

 

 

Простые металлы (кристаллизация и структура) в которых обычно не удается переходить на нисходящие ветви кривых, числа зародышей и скоростей кристаллизации. Поэтому твердые металлы не встречаются в аморфном состоянии (в значительной массе).

 

Отсюда же следует, что чем сильнее переохлаждение в металлах, тем больше должно возникать центров кристаллизации в единице-объема, а следовательно, тем мельче будут получаться зерна в слитке. Проследить эту закономерность в практике не всегда возможно, так как трудно уловить температуру переохлаждения.

 

Проще проверить это, если связать переохлаждение со скоростью охлаждения и считать их пропорциональными; тогда можно сказать, что с увеличением скорости охлаждения зерна становятся мельче. Такое-явление действительно часто наблюдается в практике, однако-не всегда, поскольку теория Таммана не учитывает многих внешних факторов, влияющих на образование структуры слитка.

 

Кроме того, неприменимость теории Таммана к объяснению практически получаемой структуры слитка обусловлена и тем, что одинаковая степень переохлаждения (от которой зависят Ч. 3. и С. К.) может-наблюдаться лишь в небольших массах металла, а в слитках крупного размера может быть отнесена лишь к отдельным участкам, но не ко всему объему слитка.

 

Наконец, существует ряд исследований, в которых доказывается, что самопроизвольное образование центров кристаллизации, т. е. возникновение зародышей\» из вещества самой жидкости, имеет гораздо меньшее значение в практических случаях затвердевания, чем присутствие мельчайших посторонних включений, нерастворимых примесей, служащих центрами кристаллизации. Таким образом, в практике число зародышей может совершенно не соответствовать кривой Ч. 3., отвечающей самопроизвольному возникновению центров.

 

Подобным же образом полагают, что и скорость кристаллизации не есть свойство, присущее веществу по природе, а обусловливается рядом внешних факторов.

Все сказанное подтверждает, что теорией Таммана не всегда можно объяснять строение, получаемое в слитке, и предусматривать размеры получаемых в нем зерен. Несмотря на это, она не утрачивает значения как теория, представляющая в наглядном и стройном виде сущность превращения, происходящего при кристаллизации, и  зависимость от главнейших внутренних факторов — числа зародышей и скорости кристаллизации.

 

Как указано далее, эта теория может быть применена не только к первичным превращениям при кристаллизации из жидкости, но и ко вторичным превращениям, происходящим в твердых металлах.

 

Полученные на основании приведенных формул кривые аналогичны экспериментальным\’ кривым Таммана и подтверждают их правильность, но\’ они не уничтожают всех тех. ограничений в отношении применения теории Таммана в практике, о которых сказано выше..

Article Global Facebook Twitter Myspace Friendfeed Technorati del.icio.us Digg Google StumbleUpon Eli Pets

Comments are closed.