Введение в физику кристализации металлов - Вайнгард У.
Скачать (прямая ссылка):
Основы кристаллизации металлов. Bell J. A., Winegard W. С., Journ. Inst. Metals (будет опубликована).
Дендритные структуры в сплавах свинец— олово. * Л е м м л е й н Г. Г., Секториальное строение кристаллов, изд-во АН СССР, 1948.
•Голиков И. H., Дендритная кристаллизация в стали, M., 1958. •Новиков И. И., Золотаревский В. С., Дендритная ликвация в сплавах, изд-во «Наука», 1966. •Бойко Э. H., Борисова А., Миронов К. E., в сб. «Рост кристаллов», т. 7, изд-во «Наука», 1967 (в печати). ¦Керн Р., в сб. «Рост кристаллов», т. 8, изд-во «Наука», 1967 (в печати).
*0 в с и е н к о Д. E., 3 а с и м ч у к И. К., Тезисы доклада на Международном симпозиуме по росту кристаллов, 1966. Глава 8
ЗАРОЖДЕНИЕ КРИСТАЛЛОВ ПЕРЕД ДВИЖУЩИМСЯ ФРОНТОМ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ
Как было показано в гл. 7, структуры роста, образующиеся в зерне в процессе кристаллизации, зависят от величины переохлаждения. Переохлаждение определяет не только внутреннюю структуру зерна, но и расположение отдельных зон кристаллов в слитке. Например, образование зоны мелких равноосных кристаллов в наружной части слитка, рассмотренное в гл. 1, является результатом гетерогенного зарождения кристаллов в области термического переохлаждения, вызываемого быстрым отводом тепла через стенку изложницы. Зона столбчатых кристаллов в слитке образуется, когда в результате «конкурирующего» роста часть кристаллов выклинивается, а оставшиеся продолжают расти, и переохлаждение перед фронтом кристаллизации недостаточно для зарождения новых кристаллов.
Наиболее трудно объяснить образование в слитках сплавов и загрязненных металлов центральной зоны равноосных кристаллов. Наличие в этой зоне равноосных кристаллов дает возможность предположить, что переохлаждение в ней было достаточным для гетерогенного зарождения значительного числа кристаллов перед фронтом. Термическое переохлаждение в этой зоне не может возникнуть, так как центр слитка, как правило, является более горячим, чем его наружная часть. Очевидно, возникающее в зоне переохлаждение концентрационное, а температурный градиент в жидкости остается положительным.
Для анализа причин зарождения кристаллов перед движущимся фронтом кристаллизации целесообразно рассмотреть приведенную на фиг. 39 кривую температуры ликвидус, вид которой определяется сегрегацией
6» 84
Г лава 10
примесей перед плоским фронтом кристаллизации. Если температурный градиент в жидкости уменьшается от Gi до G2 и G3, то величина переохлаждения увеличивается, и это увеличение может оказаться достаточным для зарождения кристаллов в жидкости перед фронтом кристаллизации. В случае дендритного роста кристаллов можно построить диаграмму, аналогичную приведенной
Фронт кристаллизации
Фиг. 39. Зависимость концентрационного переохлаждения от температурного градиента в жидкости.
в жидкости. Сделав такое предположение, можно считать, что зарождение центров кристаллизации происходит в результате концентрационного переохлаждения и, таким образом, зависит от C0, Gl и R. Ряд экспериментов, проведенных со сплавами системы алюминий — магний [15], подтверждают эту гипотезу. Алюминиевые слитки, содержащие различное количество магния, кристаллизовались в контролируемых условиях при направленном росте кристаллов. Во время кристаллизации на различных расстояниях от стенки изложницы измерялись скорость продвижения фронта кристаллизации и температурный градиент жидкости. На определенном расстоянии от стенки изложницы наблюдался переход от столбчатой дендритной структуры к равноосным ден- Зарождение кристаллов
85
дритам. Полученные данные, связывающие параметры роста, определяющие переход, с количеством примеси, приведены на фиг. 40; они могут быть объяснены на основе теории концентрационного переохлаждения. Отношение GlIR'1' было использовано только для удобства, чтобы получить на графике линейную зависимость. Выбранное отношение не имеет большого значения, так как для больших слитков могут быть получены результаты,
50
АО
% 30
20
IO
О ? 4 6 8 IO 12
% магния
Фиг. 40. Условия перехода от столбчатой к равноосной структуре при кристаллизации сплавов системы алюминий — магний [15].
которые лучше описываются какой-либо другой функцией от этих параметров роста. Гораздо важнее то, что переход от одной формы роста к другой качественно зависит от Gl и R так же, как и величина переохлаждения. В соответствии с этим данные, приведенные на фиг. 40, могут быть интерпретированы следующим образом: если величина R постоянна, а концентрация C0 достаточно велика, то, чтобы получить переохлаждение, необходимое для зарождения кристаллов, требуется определенное значение Gl. С уменьшением содержания примеси C0 градиент температур Gl также должен уменьшиться, чтобы возникло переохлаждение, необходимое для образования центров кристаллизации. 86
Г лава 10
§ 1. Методы управления структурой отливок
Очень часто особенности образующейся при кристаллизации литой структуры рассматриваются лишь в зависимости от скорости кристаллизации, так как этот параметр является наиболее удобным для измерения. Однако из рассмотрения теории концентрационного переохлаждения следует, что температурный градиент в жидкости также играет весьма важную роль в формировании окончательной структуры отливки. Более того, скорость роста в свою очередь определяется температурным градиентом в жидкости. При большом температурном градиенте значительное количество тепла должно быть отведено через фронт кристаллизации и, следовательно, скорость кристаллизации будет небольшой. Для иллюстрации того, как с помощью температурного градиента Gl на практике можно влиять на структуру отливок, целесообразно рассмотреть несколько примеров.
