Кристаллизация — это процесс образования твердой фазы из расплава или раствора. Основная причина кристаллизации заключается в том, что материал имеет тенденцию становиться более стабильным при определенных температурах.
Мера устойчивости — это термодинамическое свойство свободной энергии G. Свободная энергия зависит от температуры, и эта зависимость различна для разных фазовых состояний. G † — жидкая фаза, GT — твердая фаза.
Пересечение кривых соответствует равной свободной энергии твердой и жидкой фаз, а TP — равновесная температура кристаллизации.
Движущей силой процесса кристаллизации является разность свободной энергии G = G † – GT. Это происходит только при переохлаждении сплава до фактической температуры кристаллизации TF. Степень переохлаждения T = TP — TF увеличивается с увеличением скорости охлаждения металла VОХЛ.
Типичным примером кристаллизации металла является образование разветвленных древовидных кристаллов-дендритов (от греч. «Дерево»). По внешнему виду дендрит напоминает морозный узор окон.
Кристаллизация начинается с образования первичного, поперечного процесса, вторичные и третичные оси отходят от главной оси, в процессе концентрируются плавящиеся компоненты (эвтектика) и неметаллические включения, усадочные поры Он заканчивается закалкой образовавшегося межосевого пространства. В конце кристаллизации разветвленная структура превращается в монолитно-макрочастицы. Сечения отдельных дендритных ветвей называются микрозернами.
При низкой скорости охлаждения и соответствующем переохлаждении T1 имеется мало центров кристаллизации, скорость роста кристаллов очень высока и образуется крупнозернистая структура. Когда степень переохлаждения увеличивается до T2, число центров кристаллизации быстро увеличивается, и скорость роста кристаллов существенно не увеличивается.
В результате дендриты становятся короче, а ветви — тоньше. Молотый макро и микро зерно. Нисходящие ветви кривых «ch.ts.» и «s.r.» соответствуют сверхбыстрым скоростям охлаждения, где диффузионный процесс подавлен.
В результате сверхбыстрого охлаждения аморфное состояние фиксируется на металле.
Изменение скорости охлаждения является одним из наиболее важных методов, который на самом деле широко используется для регулировки процесса формования литой конструкции. Другой способ повлиять на структуру и свойства литого металла — это модификация.
Модификация представляет собой технический процесс, который вводит небольшие элементные добавки (0,01-0,15%) для измельчения частиц сплава по размерам и всех структурных компонентов (эвтектика, интерметаллиды). Есть два типа модификаторов.
- Поверхностно-активные вещества, которые концентрируются на поверхности растущих дендритов и препятствуют росту, например, натрия в алюминиевых сплавах.
- Добавки, которые образуют дополнительные «искусственные» центры кристаллизации в виде дисперсных тугоплавких соединений. Это функция титановой добавки из алюминиевого сплава.
Форма макрозерна сильно зависит от тепловых условий формирования отливки. В случае ярко выраженного направленного теплоотвода главная дендритная ось растет намного быстрее, чем вторичная ось в направлении теплоотвода, что приводит к образованию столбчатых частиц. При использовании медленного и равномерного теплоотвода образуются разветвленные дендриты, а макрозерна равноосны.
Смотрите также:
Примеры решения задач по материаловедению
