Скорость и форма роста кристаллов чугуна

16.10.2019

Образовавшиеся или имеющиеся в расплаве в готовом виде зародыши должны расти, так как это ведет к уменьшению термодинамического потенциала системы. При «свободной» кристаллизации этот процесс определяется тон максимальной линейной скоростью роста граней зародыша (у), которая характерна для данного металла и данного переохлаждения (рис. 15, а).

Кинетически-молекулярная теория кристаллизации рассматривает рост граней кристалла как результат образования на них двухмерных зародышей. Поэтому определение скорости роста по этой теории производится аналогично скорости зарождения (I.23) с той только разницей, что расчет ведется не для трехмерных, а для двухмерных зародышей:

где Bv, ov, Vv, Kv, mv — имеют те же значения, что и в формуле (I. 23) и (I. 24), но только в отношении двухмерного зародыша (оv является поэтому удельной периферийной энергией).

Из (I.26) видно, что линейная скорость роста граней кристаллов, как и скорость зарождения, является функцией относительного переохлаждения, но менее интенсивно выраженной. Это значит, что для роста кристаллов достаточно меньших переохлаждений, чем для образования зародышей, причем по мере увеличения размеров кристалла необходимое переохлаждение уменьшается. Однако очевидно, что рост кристаллов может начаться только после их зарождения. Поэтому переохлаждение для роста и зарождения практически всегда одинаково и, если в жидком металле имеются готовые зародыши, которые становятся активными при меньшем переохлаждении, то и рост их начинается при этом малом (штриховая линия на рис. 15, а) переохлаждении. Вместе с тем следует отметить, что кристалл может расти при еще меньших переохлаждениях, чем этого требует теория образования двухмерных зародышей, и для объяснения этого факта Ф. Франком предложена теория роста путем винтовой линии (дислокации).

В этом случае теоретическая скорость роста, подтвержденная и экспериментально, может быть в отличие от (I.26) выражена

где D — коэффициент диффузии;

Wa — атомный объем.

Таким образом, линейная скорость роста граней в условиях «свободной» кристаллизации возрастает с увеличением переохлаждения и коэффициента диффузии и с уменьшением периферийной энергии. В этом случае, и особенно при медленной кристаллизации, каждая грань кристалла растет с характерной для нее скоростью, обусловленной величиной периферийной энергии. Такая форма, вызванная анизотропией свойств кристаллических граней, называется равновесной, а сам кристалл — идиоморфным, поскольку его внешняя огранка соответствует внутреннему строению и минимальной поверхностной энергии. При этом большое влияние оказывают также явления адсорбции.

В противоположность идиоморфным кристаллам аллотриоморфные кристаллы имеют огранку, соответствующую не внутреннему строению кристаллов и не анизотропии их свойств, а внешним условиям роста. Таковы, например, условия, создающиеся при смыкании кристаллов друг с другом, при разной скорости доставки атомов с разных сторон и при большой скорости кристаллизации. Внешняя огранка зерен или кристаллитов металла обусловливается при этом взаимным расположением кристаллов или соотношением скоростей диффузии с разных сторон, а не соотношением скоростей роста разных граней. Такое же положение имеет обычно место в реальных условиях кристаллизации вследствие того, что скорость процесса практически обусловливается не кристаллизационными параметрами, а скоростью теплоотвода. Если соотношение скоростей роста граней кристалла (1, 2, 3) в условиях свободной кристаллизации таково, что v1 > v2 > v3, то в реальных условиях значения могут быть другими в зависимости от скорости теплоотвода (vmen). При этом возможны следующие случаи:

В случае I лимитируется рост всех граней и они растут поэтому со скоростью, соответствующей теплоотводу. Кристалл получается равноосным, если скорость теплоотвода со всех сторон одинакова. В случае IV ни одна из граней не лимитируется в своем росте теплоотводом и кристалл получается идиоморфным. В остальных случаях (II и III) имеют место промежуточные положения, так как некоторые грани растут со скоростью, соответствующей теплоотводу, а остальные — растут свободно со скоростями, соответствующими их периферийной энергии. В зависимости от этого меняются, конечно, огранка и форма роста кристаллита.

И.В. Салли различает три основные формы роста кристаллов: многогранную с сохранением плоской границы раздела, скелетную (деидриты, сферолиты, иглы, пластины) с выпуклой границей раздела в сторону больших скоростей роста и с постоянным радиусом кривизны и округлую, в том числе шаровидную, с выпуклой границей раздела, по с возрастающим в процессе кристаллизации радиусом кривизны.

В соответствии с кристаллическим строением Fe—С фаз можно полагать, что идиоформной формой аустенита является многогранная, цементита и графита — скелетная; в первом случае образуются иглы и пластинки, во втором — главным образом пластинки. Однако наиболее распространенными, в связи с влиянием разных факторов, являются аллотриоморфные формы, особенно — дендритные. Эта форма образуется вследствие ответвлений от главной оси и образования осей второго и третьего порядка. Такая форма роста характерна не только для аустенита и цементита, но в некотором смысле и для пластинчатого и особенно — для междендритного графита. Однако вопрос о механизме дендритной кристаллизации является еще спорным. Преобладает мнение, что такой кристаллизации способствуют наличие большого концентрационного переохлаждения, т. е. большая концентрация примесей, большая скорость роста плоских граней, следовательно, интенсивный теплоотвод, и малый температурный градиент в жидком металле. В этих условиях вдающийся в жидкий расплав конец или угол кристалла растет дальше вследствие попадания в пограничный концентрационно-переохлажденный слой. Это в свою очередь вызывает передвижение переохлажденного слоя и дальнейший рост ветви кристалла. При этом сравнительно большая скорость теплоотвода приводит к образованию ответвлений, что необходимо для обеспечения общей закономерности роста — максимальной объемной скорости роста.

Резкому развитию дендритной кристаллизации способствует ликвация, разграничивающая первичные ветви металла и меж-дендритное заполнение. С другой стороны, возможна и недендритная (сплошная) кристаллизация, характерная, например для шаровидного графита (рис. 7, а), способная идти сплошным фронтом в соответствии с теплоотводом. Вне зависимости от этого макростроение отливок в общем случае состоит из трех зон: мелких, так называемых, замороженных кристаллов, столбчатых, ориентированных по теплоотводу и равноосных в центральной части отливки. В частных случаях, однако, могут отсутствовать те или иные зоны, например столбчатая или центральная равноосная (в последнем случае имеет место сплошная столбчатая структура, называемая транскристаллизационной).

Для объяснения такой макроструктуры принимается, что наружная зона замороженных кристаллов образуется в слое термического переохлаждения. Активированные вследствие переохлаждения зародыши этого слоя растут одновременно и приводят к образованию большого числа мелких кристаллитов.

Вследствие выделения теплоты кристаллизации температура в жидком расплаве поднимается выше температуры возможного образования новых зародышей и поэтому рост кристаллов, который все же возможен при этом меньшем переохлаждении, продолжается только на существующих зародышах. При этом кристаллы ориентируются своим главным кристаллографическим направлением параллельно теплоотводу, рост же иначе ориентированных кристаллов подавляется. Столбчатой кристаллизации, по-видимому, способствуют малое концентрационное переохлаждение и большой градиент температуры. Когда же последний с течением времени уменьшается, концентрационное переохлаждение увеличивается, и температура в центральной части отливки понижается до уровня возможного зарождения новых кристаллов. В результате начинает развиваться равноосная кристаллизация, однако, вследствие меньшего переохлаждения число зародышей сравнительно мало и зёрна поэтому значительно больше по величине, чем в наружной зоне.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна