Процесс кристаллизации расплавов
Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией.
Процесс кристаллизации начинается с образования кристаллических зародышей (центров кристаллизации) и продолжается в процессе роста их числа и размеров.
Процесс кристаллизации может протекать только при переохлаждении металла ниже равновесной температуры кристаллизации Тn, при которой жидкая и твердая фазы могут сосуществовать одновременно и притом бесконечно долго. Разность между температурами Тп и Tк, при которых может протекать процесс кристаллизации, носит на звание степени переохлаждения:
При переохлаждении сплава ниже температуры Т„„ во многих участках жидкого сплава образуются устойчивые, способные к росту кристаллические зародыши, называемые критическими.
Пока образовавшиеся кристаллы растут свободно, они имеют более или менее правильную геометрическую форму. Однако при столкновении растущих кристаллов их правильная форма нарушается, так как в этих участках рост граней прекращается. Рост продолжается только в тех направлениях, где есть свободный доступ жидкости. В результате растущие кристаллы, имевшие сначала геометрически правильную форму, после затвердевания получают неправильную внешнюю форму и поэтому называются кристаллитами или зернами.
Процесс кристаллизации протекает тем быстрее, чем больше образуется зародышей (центров кристаллизации) в единицу времени и в единице объема и чем больше скорость их роста.
Чем больше скорость образования зародышей и меньше скорость их роста, тем меньше размер кристалла, выросшего из одного зародыша ( зерно) и, следовательно, более мелкозернистой будет структура металла.
При небольшой степени переохлаждения dТ (малой скорости охлаждения) число зародышей мало. В этих условиях будет получено крупное зерно. С увеличением степени переохлаждения скорость образования зародышей возрастает и размер зерна в затвердевшем металле уменьшается.
Размер зерна металла сильно влияет на его механические свойства. Эти свойства, особенно вязкость и пластичность, выше, если металл п меет мелкое зерно.
На размер зерна оказывают влияние:
— температура нагрева и разливки жидкого металла;
— химический состав и особенно присутствие в металле посторонних примесей.
В технических металлах всегда присутствует большое количество различных примесей (окислов, неметаллических включений и т.д.), которые облегчают образование зародышей, когда:
— примесь имеет более высокую температуру плавления, чем основной металл;
— кристаллические решетки примеси и основного металла одинаковы и примерно одинаковы параметры решеток.
Чем больше примесей, тем больше центров кристаллизации, тем мельче получается зерно. Такое образование зародышей называют гетерогенным.
Для получения мелкого зерна создают искусственные центру кристаллизации. Для этого в жидкий металл вводят специальные примеси, называемые модификаторами. Эти примеси, практически не изменяя химического состава сплава, вызывают при кристаллизации измельче-ние зерна и в итоге улучшение механических свойств.