Введение в физику кристализации металлов - Вайнгард У.
Скачать (прямая ссылка):
Предположим, что для некоторых целей желательно получить слиток с полностью столбчатой структурой. Это может быть достигнуто, если переохлаждение в жидкости не будет столь большим, чтобы вызвать зарождение кристаллов перед фронтом кристаллизации. Для этой цели необходимо использовать такую технологию получения слитка, при которой градиент Gl достаточно велик, что приводит к увеличению отношения Gl/R или Gl/R'!k Такая технология может заключаться в эффективном использовании прибыльной части слитка, необходимой для того, чтобы верхняя часть слитка в течение некоторого времени поддерживалась в расплавленном состоянии и при высокой температуре; кроме того, можно использовать высокую температуру разливки или водоохлаждаемую изложницу для поддержания высокого Gl во время кристаллизации. Существует много других приемов увеличения Gl, аналогичных рассмотренным выше. Из анализа структур, Приведенных на фото 10 для иллюстрации рассмотренных выше положений, следует, что высокая температура разливки препятствует развитию процессов зарождения перед фронтом кристаллизации [16]. Зарождение кристаллов
87
Получение однородной по составу и свойствам отливки является обычной задачей, стоящей перед литейщиками. Для этого необходимо получить в отливке однородную равноосную структуру. Для получения такой структуры нужно переохладить всю отливку, а когда переохлаждение будет достаточным, произойдет зарождение кристаллов одновременно по всей жидкости, что приведет к образованию равноосной структуры. Однако такая отливка будет пористой, так как твердая фаза не может «подпитываться» жидкостью во время кристаллизации; т. е. жидкость с верхней части слитка не сможет проникать сквозь ветви дендритов, чтобы заполнить многочисленные усадочные поры, образовавшиеся при кристаллизации в нижней части слитка.
Другой метод получения разноосной структуры заключается в том, чтобы осуществить перемещение зоны зарождения кристаллов от наружной части отливки к внутренней части. Используя этот прием, можно добиться того, что скорость зарождения кристаллов перед движущимся фронтом кристаллизации будет увеличиваться по мере его движения; если ширина зоны зарождения будет ограничена, то жидкость сможет проникать к образовавшимся в результате кристаллизации порам. Зона зарождения будет достаточно узкой, если область переохлаждения узкая, что может быть достигнуто при использовании некоторых приемов, основанных на теории концентрационного переохлаждения и гетерогенного зарождения. Обращаясь к фиг. 39, можно отметить, что при температурном градиенте G2 зона переохлаждения имеет определенную ширину при максимальной величине переохлаждения ATuaiic; протяженность зоны переохлаждения и величина Д7"макс увеличиваются при уменьшении градиента до G3. Для конкретного катализатора, присутствующего в жидкости и вызывающего гетерогенное зарождение, понижение градиента до G3 может привести к весьма существенному и нежелательному расширению зоны зарождения. Необходимый для образования узкой зоны зарождения (фиг. 41) градиент температуры или температурные условия могут быть найдены лишь экспериментальным путем. 88
Г лава 10
Рассмотренные выше соображения, несмотря на их качественный характер, могут быть весьма полезными для решения многих практических задач литейного дела. Хотя в настоящее время и нет данных об активности катализаторов зарождения в зависимости от переохлаждения, тем не менее проведенные опыты показывают, что введение в расплав растворимых примесей для создания
Направление движения фронта кристаллизации
Зона зарождения
(Двухфазная область)
Фиг. 41. Зона зарождения кристаллов перед фронтом кристаллизации.
переохлаждения п катализаторов зарождения для развития процессов гетерогенного зарождения приводит к уменьшению размеров зерна в отливках, что видно из фото 11. Вводившаяся в этих опытах [17] медь способствует созданию концентрационного переохлаждения, а титан, соединяясь с углеродом и образуя карбид титана, действует как катализатор зарождения ').
') Растворимые примеси влияют на процесс кристаллизации и на структуру слитка не только благодаря тому, что они вызывают концентрационное переохлаждение. Некоторые растворимые примеси («поверхностно-активные») снижают поверхностное натяжение на границе кристалл—расплав, уменьшают критический радиус зародыша г*, работу его образования ДСМ акс И СКЛОННОСТЬ К ПбрЄОХЛЗ-ждению (см., например, [35], стр. 407). — Прим, ред. Зарождение кристаллов
89
§ 2. Структуры роста, образующиеся при сварке
Исследование структуры литого металла обычно производится в отливках, однако его также целесообразно проводить и при сварке, так как сварной шов можно рассматривать как небольшую отливку. Кроме того, при сварке управление параметрами роста Gl и R легко осуществимо, хотя их значения иногда точно не известны.
Проведенные недавно в некоторых странах исследования показали, что в одном шве может быть найден целый набор различных структур: ячейки, столбчатые дендриты, равноосные дендриты. Все эти структуры можно не только получить, но и управлять их развитием, изменяя условия роста, как это следует из теории концентрационного переохлаждения. Эти данные имеют большое значение в практике сварки, так как свойства изделия в. большой степени определяются свойствами шва. Несколько подробнее этот вопрос будет рассмотрен в гл. 13.
