Размер 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..
