Введение в физику кристализации металлов - Вайнгард У.
Скачать (прямая ссылка):
Некоторые вопросы кинетики кристаллизации металлов. •Кузнецов В. Д., Кристаллы и кристаллизация, M., 1953. •Данилов В. И., в сб. «Проблемы металловедения и физики металлов», т. II, III, M., 1951.
Влияние растворимых примесей на зарождение центров кристаллизации.
*Д у X и н А. И., в сб. «Проблемы металловедения и физики металлов», т. II, III, М„ 1951.
Кристаллизация металлов и сплавов в малых объемах. Глава 4
РОСТ КРИСТАЛЛОВ ПРИ ЗАТВЕРДЕВАНИИ ЧИСТЫХ МЕТАЛЛОВ
Рост кристаллов начинается сразу же после возникновения в расплаве центров кристаллизации, и формирующаяся структура во многом определяется условиями роста и, в частности, величиной переохлаждения. Прежде чем останавливаться на механизме роста кристаллов, целесообразно рассмотреть пример, в котором металл, помещенный в горизонтально расположенную изложницу, или лодочку, находится в таких условиях, что одна его часть будет в жидком состоянии, а другая — в твердом, как это показано на фиг. 11. Для того чтобы
Фиг. 11. К определению условий неподвижности фронта кристаллизации.
поддерживать границу раздела между жидкой и твердой фазами (фронт кристаллизации) в фиксированном положении, необходимо, чтобы твердая фаза была бы холоднее, чем жидкость, и при направлении теплового потока от А к В количество тепла, подводимое к А, должно быть равно количеству тепла, отводимому от В. Другими словами, тепловой поток в жидкости должен быть равен тепловому потоку в твердой фазе, т. е. должно выполняться уравнение непрерывности
KsOs = KlOl, (4.1)
где Ks—теплопроводность твердой фазы, Kl — теплопроводность жидкости, Os — температурный градиент в твердой фазе, Ol — температурный градиент в жидкости.
3 У. Вайнгврд 34
Г лава 4
Рассмотренное выше положение схематически изображено на фиг. 12; кривая а соответствует случаю, когда фронт кристаллизации не перемещается, а остается неподвижным, так как температура на нем равна температуре кристаллизации Te — единственной температуре, при которой твердая и жидкая фазы находятся в равновесии. Тот факт, что фронт кристаллизации не
Твердая Жидкая
фаза ipasa
Расстояние X
Фиг. 12. Распределение температур в случаях:
а — неподвижного фронта кристаллизации; б— движущегося фронта кристаллизации.
перемещается, не означает, что движение атомов на нем прекратилось; атомы непрерывно покидают твердую фазу, и присоединяются к ней, но при температуре кристаллизации скорости этих двух процессов равны. Для роста кристаллов необходимо, чтобы больше атомов присоединялось к твердой фазе, чем покидало ее, а для этого температура границы раздела должна быть несколько ниже равновесной температуры кристаллизации. Это означает, что для продвижения фронта кристаллизации необходимо некоторое переохлаждение расплава.
Рост кристаллов возможен как при положительном, так и при отрицательном температурных градиентах в жидкости; эти два случая будут рассмотрены отдельно. Рост кристаллов при затвердевании чистых металлов
35
§ 1. Рост кристаллов при положительном температурном градиенте в жидкости
Как упоминалось выше, если распределение температур в металле имеет вид, схематически изображенный кривой а на фиг. 12, то фронт кристаллизации остается неподвижным. В случае распределения температур, приведенном на кривой б, перед фронтом кристаллизации существует некоторое переохлаждение, и фронт может перемещаться. Если фронт кристаллизации перемещается с некоторой постоянной скоростью, то количество тепла, отведенное от фронта в твердую фазу, равно суммарному количеству тепла, подведенному к фронту из жидкости и выделившемуся в виде скрытой теплоты плавления (выделение скрытой теплоты плавления обусловлено протеканием процесса кристаллизации):
KsO S = KlOl +LvRA, (4.2)
где Lv- скрытая теплота плавления единицы объема металла,
R—скорость перемещения фронта кристаллизации, А—площадь поперечного сечения образца.
Из приведенного выше уравнения непрерывности следует, что скорость отвода тепла от твердой фазы определяет скорость продвижения фронта кристаллизации.
Эксперименты, в которых жидкость быстро удалялась от растущих на фронте кристаллов (сливалась), показали, что структура фронта кристаллизации зависит от условий затвердевания. При затвердевании чистых металлов в случае положительного температурного градиента в жидкости фронт кристаллизации не имеет шероховатостей и по крайней мере до размера, большего чем Ю-3 см является плоским и гладким. Однако образующаяся твердая фаза все же обладает рядом структурных несовершенств; такая макромозаичная субструктура часто наблюдается в монокристаллах. Эта субструктура, обычно называемая полосчатой, представляет собой совокупность шестигранных или квадратных стержней размерами ~1Х1 мм, отделенных друг от друга границами, расположенными под малыми углами. Эта разориентировка между соседними стержнями, или
3* 36
Г лава 4
угол между главными кристаллографическими осями соседних стержней, может колебаться от нескольких минут до 5°, но обычно все отклонения лежат в пределах 1—2° от оси образца. Полосчатая субструктура, выявленная на верхней поверхности кристалла и приведенная на фото 1, образовалась в процессе кристаллизации и является результатом роста кристалла из одного общего центра кристаллизации [2]. Поперечное сечение образца с полосчатой субструктурой представлено на фиг. 13; в некоторых металлах такая субструктура может образоваться во всем кристалле, и отдельные субграницы могут проходить через весь кристалл.
