Введение в физику кристализации металлов - Вайнгард У.
Скачать (прямая ссылка):
Фиг. 13. Схема поперечного сечения образца с полосчатой субструктурой.
Предполагается, что малоугловые границы между стержнями представляют собой скопление различных несовершенств, и поэтому форма и характер субграниц определяется чистотой металла; они ровные и прямые в загрязненных металлах, но становятся все более и более неправильной формы (волнистыми) по мере увеличения чистоты металла. В настоящее время вопросы, связанные с образованием полосчатой субструктуры, еще являются спорными и поэтому не могут подробно быть рассмотрены в настоящей книге.
§ 2. Рост кристаллов при отрицательном температурном градиенте в жидкости
При отрицательном температурном градиенте в жидкости, схематически изображенном на фиг. 14, перед фронтом кристаллизации существует зона термического переохлаждения, т. е. жидкость в этой зоне имеет температуру ниже равновесной температуры кристаллизации. Если случайно на фронте кристаллизации обра- Рост кристаллов при затвердевании чистых металлов 37
зуется выступ, то его вершина будет находиться в области большего переохлаждения по сравнению с соседними участками на фронте кристаллизации, и этот образовавшийся выступ будет стремиться продвинуться дальше и расти в глубь расплава. Выделяющаяся при этом скрытая теплота плавления уменьшает переохлаждение на фронте в окрестности выступа. По мере развития этого процесса выступ превращается в иглу, в то время как скорость перемещения соседних участков на фронте кристаллизации несколько уменьшается. Аналогичным
Фиг, 14. Рост кристаллов при отрицательном температурном градиенте в жидкости.
образом на игле образуются ветви, а эти ветви в свою очередь служат основой для следующих ветвей. Образующаяся в результате этого ветвистая структура, называемая дендритной 1J, представлена на фиг. 15 [3].
Кристаллографические особенности дендритного роста. Одной из интересных особенностей дендритного роста является то, что ось дендрита и его ветви растут в определенных кристаллографических направлениях; иллюстрацией этого положения может служить дендритная структура бикристалла свинца, приведенная на фото 2. Для осуществления дендритного роста кристал-
') «Древовидной» — от греческого слова «деидрон» — дерево. Дендритная кристаллизация подробно рассмотрена в [36]. — Прим, ред. 38
Г лава 4
лов в жидкости поддерживался отрицательный температурный градиент, и на некоторой стадии процесса не закристаллизовавшаяся еще жидкость была удалена для выявления образовавшихся дендритов. Несмотря на то что тепловой поток в бикристалле имел одно и то же направление, направления роста дендритов различны.
Все дендриты росли в направлении (100), т. е. в направлении ребра куба в кристалле свинца. Каждый дендрит растет из одного центра кристаллизации, что подтверждается одинаковой ориентировкой всех его ветвей, и, таким образом, весь дендрит со всеми своими ветвями представляет собой по существу монокристалл.
Направления дендритного роста. Следует отметить, что кристаллографические особенности дендритного строения связаны с преимущественным ростом дендритов по определенным кристаллографическим плоскостям. Например, в металлах с гранецентрированной кубической решеткой ось дендрита совпадает с направлением ребра куба, являющегося осью пирамиды, образованной четырьмя плотно упакованными плоскостями {111}. Эта ось может образоваться в результате преимущественного роста дендрита на этих четырех плоскостях.
Фиг. 15. Схематическое изображение дендрита [3]. Рост кристаллов при затвердевании чистых металлов 39
Из приведенной ниже табл. 4, в которой не рассматривается детально механизм роста дендритов, следует, что направление дендритного роста связано с типом кристаллической решетки металлов.
Таблица 4
Направления дендритного роста [4]
Структура металлов Направления дендритного роста
Гранецентрированная куби-
ческая ......... (001)
Объемноцентрированная
кубическая ....... (001)
Плотно упакованная гекса-
гональная ....... [0001]
Тетрагональная (олово) . . (110)
Решетка алмаза..... (112)
Разориентировка дендритов. Как показывают эксперименты, соседние ветви одного и того же дендрита часто бывают несколько разориентированы друг относительно друга. Эта разориентировка, изменяющаяся от долей градуса до трех-четырех градусов, может вызываться механической вибрацией или конвекцией в жидкости. Только что образовавшиеся ветви тонкие и очень непрочные и могут быть легко смещены или сломаны.
Скорость дендритного роста. Скорость роста дендрита зависит от переохлаждения жидкости перед растущим кристаллом. Эта зависимость показана на фиг. 16, взятой из работы [5]. По мере увеличения переохлаждения скорость роста увеличивается; так, при переохлаждении в 5° С скорость роста составляет 5 см/сек. Пересчитав эту скорость на число атомов, присоединяющихся к твердой фазе в единицу времени, можно с удивлением отметить, что при такой большой скорости присоединения образующаяся твердая фаза является весьма совершенной. К настоящему времени было предпринято много 40
