Введение в физику кристализации металлов - Вайнгард У.
Скачать (прямая ссылка):
') Краевой угол смачивания 0 в общем случае зависит не только от удельной поверхностной энергии Y' на границе раздела зародыш— подложка. По теореме Лапласа cos0=(Y2— Yi)/Уз, где Y2 и Y3 — значения удельной поверхностной энергии на границах раздела подложка—расплав и зародыш—расплав.
Угол 0 стремится к нулю, когда разность Y2 — Yi приближается к величине Y3- Очевидно, в том случае, когда Y2~Y3> Уг°л 0 при малых значениях Yi бывает очень мал.
Если обозначить работу образования центра кристаллизации при гомогенном процессе через AGmanc. гом, то, как показал Фоль-мер (см., например, [36], стр. 283), работа образования центра кристаллизации на подложке AGwaKc. гетер определяется следующим соотношением:
. _ 2 — 2 cos 0 — sin2 0 cos 8
"GMaKC. Гетер — "GMaKC. гом j .
При 0 = 0 (полное смачивание подложки твердой фазой) эта величина, как и указано автором, обращается в нуль; при отсутствии смачивания (0=180°)
AGMaKCr гетер — AGm3kc гом.
Величина Yb малое значение которой при Y2~Y3 обеспечивает хорошее смачивание при гетерогенной кристаллизации, зависит от того, насколько близки между собой физическая природа, тип кристаллической структуры и межатомные расстояния в кристаллизующемся веществе и веществе подложки. Наиболее сильное каталитическое действие оказывают находящиеся в расплаве твердые частицы, удовлетворяющие принципу физического, структурного и размерного соответствия по отношению к кристаллизующемуся веществу: именно при таком соответствии величина близка к нулю. — Прим. ред. Зарождение кристаллов
31
способствующие развитию процессов зарождения. Как правило, механизм действия катализаторов в расплавах конкретных металлов бывает заранее неизвестен, и на практике катализаторы подбираются методом проб и ошибок.
Практическая важность управления процессом зарождения кристаллов. Может возникнуть вопрос: какими преимуществами обладает металл, в котором имело место гетерогенное зарождение кристаллов? Для чего вводить катализаторы зарождения, если образование зародышей все равно будет иметь место в результате действия инородных частиц, уже имеющихся в расплаве, когда переохлаждение будет достаточным для их действия? Ответ на вопрос заключается в том, что количество возникших зародышей твердой фазы определяет конечную структуру и, таким образом, свойства затвердевшего металла. Каждое зерно или кристалл растет из одного зародыша, и поэтому число зародышей, возникающих в расплаве, определяет размеры образовавшегося при кристаллизации зерна.
Для достижения высоких механических и, в частности, прочностных свойств желательно получение мелкозернистой структуры, а для этого необходимо, чтобы в расплаве возникло как можно большее число центров кристаллизации, а скорость охлаждения должна быть подобрана таким образом, чтобы возникшие центры кристаллизации имели возможность расти. Скорость охлаждения играет весьма существенную роль в процессах зарождения, так как образование центров кристаллизации происходит не одновременно во всем расплаве из-зг того, что не вся жидкость находится при одной и той же температуре, или потому, что не все центры кристаллизации образуются при одной и той же степени переохлаждения. Первые образовавшиеся кристаллы будут расти до тех пор, пока не встретятся с другими; если время между актами возникновения центров кристаллизации достаточно велико, то кристаллы вырастают большими и при своем росте могут захватить некоторое количество частиц, которые могли бы стать центрами кристаллизации. При большой скорости охлаждения значительное 32
Г лава 4
число имеющихся в расплаве частиц может стать центрами кристаллизации до того, как они будут захвачены растущими кристаллами. Добавление в расплав примесей, являющихся катализаторами, позволяет управлять процессом зарождения кристаллов.
Наиболее распространенными методами влияния на структуру литого металла являются подбор оптимальной скорости охлаждения и введение в расплав катализаторов зарождения; в последнее время для этой цели начинает применяться вибрация. Вибрирование отливки во время кристаллизации приводит к образованию мелкозернистой структуры, так как вибрация вызывает увеличение числа центров кристаллизации за счет разламывания растущих кристаллов или повышения каталитической способности имеющихся в расплаве частиц. Однако этот частный вопрос, как, впрочем, и вся теория зарождения кристаллов, еще нуждается в дальнейшем развитии.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
Hollomon J. H., в сб. «Thermodynamics in Physical Metallurgy», Cleveland, 1950, p. 161. Гетерогенное зарождение кристаллов. Turnbull D., в сб. «Thermodynamics in Physical Metallurgy», Cleveland, 1950, p. 282. Основы кристаллизации. Hollomon J. H., TurnbuIl D., в сб. «Progress in Metal Physics», ed. Chalmers, vol. IV, London, 1963, p. 333. (Имеется перевод в сб. «Успехи физики металлов», т. I, M., 1956, стр. 304.) Pound G. M., в сб. «Liquid Metals and Solidification», Cleveland, 1958, p. 87. (Имеется перевод в сб. «Жидкие металлы и их затвердевание», M., 1962, стр. 107.) *Уманский Л. С., Финкельштейн Б. H., Блантер М. E., К и ш к и н С. Т., Горелик С. С., Ф а с т о в Н. С,, Физическое металловедение, Металлургиздат, 1955. •Данилов В. И., в сб. «Проблемы металловедения и физики металлов», т. I, VII, M., 1949.
