Основные процессы и аппараты технологии промышленных взрывчатых веществ - Генералов М.Б.
ISBN 5-94628-130-5
Скачать (прямая ссылка):
¦233 а
б
Рис. 7.2. Зависимость скорости зарождения кристаллов (а) и линейной скорости кристаллизации (б) от переохлаждения расплава
кристаллов. Рассмотрим влияние этих скоростей на структуру продукта для случая квазиизотермической кристаллизации.
Структура кристаллической фазы такова. Кинетику процесса зарождения кристаллов обычно характеризуют вероятностной зависимостью изменения скорости зарождения кристаллов V3 (число образующихся зародышей кристаллов в единице объема расплава в единицу времени) от температуры переохлаждения жидкости ATkp.
Общий характер поведения зависимости V3 = ДА T ) для расплавов, склонных к переохлаждению, показан на рис. 7.2, а. Следует отметить наличие экстремума M на указанной кривой. При малом переохлаждении ход кривой определяется главным образом вероятностью образования зародышей, возрастающей по мере переохлаждения. По мере увеличения переохлаждения (правее точки экстремума на рис. 7.2, а) наблюдается уменьшение значения v3, что объясняется уменьшением молекулярной подвижности в расплаве, так как часть объема уже занята твердой фазой.
На кинетику процесса зарождения кристаллов влияют многие факторы: наличие нерастворимых и растворимых примесей, механические воздействия, наложение электрических и магнитных полей и др. Следует отметить, что механизм зарождения кристаллов в переохлажденных расплавах исследован еще недостаточно полно.
Для оценки значения критического радиуса зародыша в виде сферы г можно воспользоваться выражением [2]
где а — поверхностное натяжение на границе кристаллическая фаза-расплав; рк - плотность кристаллической фазы.
Любой зародыш с радиусом более гкр является центром кристаллизации, способным к росту, так как по мере его роста происходит понижение свободной энергии системы. При радиусе меньше гкр зародыш 234
Гк - 2о7пл КР Рк4плА7кр '
(7.1) неустойчив, поскольку при его росте свободная энергия должна была бы увеличиваться.
Анализ выражения (7.1) показывает, что с возрастанием переохлаждения ATjcp радиус гкр уменьшается, что повышает вероятность образования центров кристаллизации. При T —> Tim радиус гкр —> <», поэтому при малом переохлаждении зарождения кристаллов практически не происходит.
С появлением в переохлажденном расплаве зародышей твердой фазы (центров будущих кристаллов) начинается их рост. Процесс роста реального кристалла настолько сложен, что объяснить все его стороны с единой точки зрения пока не представляется возможным. Современные кинетические воззрения на рост кристаллов, основанные на моле-кулярно-кинетической теории, удачно дополняются дислокационной теорией [3]. Скорость роста кристаллов обычно характеризуют зависимостью линейной скорости кристаллизации Vjl от переохлаждения расплава AT (рис. 7.2, б). Линейной скоростью кристаллизации называ-
кр
ют скорость перемещения границы между расплавом и закристаллизовавшимся веществом в направлении нормали к поверхности раздела фаз. Линейная скорость роста кристаллов Vjl при температурах, близких к температуре кристаллизации, равна нулю. Затем при возрастании переохлаждения она увеличивается, достигая максимума, а далее снова постепенно снижается. На линейную скорость кристаллизации влияет довольно большое число факторов: наличие примесей в расплаве, механические воздействия, наложение электрических и магнитных полей и т.п. Под влиянием этих факторов часто изменяется вид кривой Vji =.ДД T ), а также положение максимума на этой кривой.
Таким образом, кинетика кристаллизации расплава характеризуется двумя основными параметрами: скоростью образования зародышей в исходном расплаве и линейной скоростью роста кристаллов. Эти параметры определяют в основном структуру получаемых изделий, а также необходимое время для кристаллизации расплава.
Структура получаемого изделия определяется общим числом центров кристаллизации и скоростью роста образовавшихся зародышей и, следовательно, зависит от вида кривых скорости зарождения кристаллов V3 и линейной скорости их роста Vjl.
При отверждении расплава кристаллического вещества возможны два предельных варианта взаимного расположения кривых v3 =Z(ATicp) и Vji =ZATkp), как показано на рис. 7.3.
В варианте а максимуму скорости V3 соответствует меньшее переохлаждение, чем максимуму Vjl. Пусть расплав переохлажден на величину A Ti, что соответствует максимуму на кривой v3. В этом случае в расплаве вероятнее всего появится большое число зародышей, которые медленно растут. Отвердевший слиток будет иметь мелкокристаллическую структуру. При переохлаждении расплава до A T2, что соответст-
¦235 а б ЛИС
Рис. 7.3. Влияние переохлаждения расплава на структуру кристаллической фазы
вует максимуму на кривой ул, появляются немногочисленные зародыши, которые быстро растут. В результате получается крупнокристаллическая структура.
Во варианте б максимуму V3 соответствует большее переохлаждение, максимуму Vji — меньшее. В этом случае при переохлаждении до A T1 возникает небольшое число быстрорастущих зародышей; в результате вероятнее всего образуется крупнокристаллическая структура. При более сильном переохлаждении, например, до A T2 образуется большое число медленнорастущих зародышей, и получается мелкокристаллическая структура.
