Контрольная работа: Затвердевание сплавов Строение жидкого металла Термодинамические стимулы и кинетические возможности

С увеличением скорости охлаждения (V₂ , V₃ ) степень переохлаждения возрастает, кристаллизация протекает при температуре значительно ниже равновесной Т_П . Для металлов степень переохлаждения обычно 10–30⁰ С.

Процесс кристаллизации, как установил Д.К. Чернов, начинается с образования кристаллических зародышей (центров кристаллизации) и продолжается в процессе роста их числа и размеров. Таким образом, процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов: 1-й – зарождение зародышей, 2-й – их рост. В первоначальный момент кристаллы растут свободно, имея правильную форму; однако при столкновении растущих кристаллов их правильная форма нарушается.

Рисунок 3. Схема кристаллизации металла

Рисунок 4. Кинетическая кривая кристаллизации

3. Самопроизвольное образование зародышевых центров

Наиболее сложным в процессе кристаллизации является представление по зарождению центров кристаллизации. С понижением температуры степень ближнего порядка в жидкости и размер таких микрообъемов возрастают. При температуре близких к Т_к (Т_П ), в жидком металле возможно образование небольших группировок, в которых атомы упакованы так же, как и в кристаллах. Такие группировки называют фазовыми (или гетерофазными) флуктуациями. Эти флуктуации превращаются в зародыши (центры кристаллизации).

Возникающие зародыши могут быть различной величины. Рост зародышей возможен, если они достигли определенной величины, начиная с которой их рост ведет к уменьшению свободной энергии (рис. 5).

Рисунок 5. Изменение свободной энергии металла при образовании зародышей кристалла в зависимости от их размера

Изменение свободной энергии:

ΔF_общ = – VΔf + Sσ

где V – объем зародыша,

Δf – разность (F_ж – F_т ) металла,

S – суммарная величина поверхности кристаллов,

σ – поверхностное натяжение.

В процессе кристаллизации свободная энергия системы, с одной стороны уменьшается за счет перехода жидкого металла в твердый на VΔf, а с другой стороны, возрастает в результате образования поверхности раздела с избыточной поверхностной энергией, равной Sσ.

Минимальный размер зародыша R_к , способного к росту при данных температурных условиях, называется критическим размером зародыша (зародыш – критический или равновесный): R_к = 2σ/Δf.

С увеличением степени переохлаждения R_к уменьшается (за счет увеличения Δf) (рис. 6), и следовательно возрастает число зародышей (центров) кристаллизации и скорость образования этих зародышей.

Рисунок 6. Изменение свободной энергии металла при образовании зародышей кристалла в зависимости от степени переохлаждения

Рост кристаллов (зародышей) происходит поступлением из жидкости двумерного зародыша на поверхность кристалла, или присоединением атомов к ступенькам винтовой дислокации и другим деферентам.

4. Влияние переохлаждения на процесс кристаллизации

Скорость процесса кристаллизации и строение металла после затвердевания зависят от числа зародышей ч.з. (центров кристаллизации), возникающих в единицу времени и в единице объема, то есть от скорости образования зародышей [1/см³ ×с] и скорости роста с.р. зародышей (увеличения линейных размеров растущего зародыша в единицу времени (мм/с).

Чем больше скорость образования зародышей и чем больше скорость их роста, чем выше эти факторы, тем быстрее протекает процесс кристаллизации.

При Т_П – ч.з. и с. р. равны нулю, и поэтому процесс кристаллизации не происходит.

С увеличением степени переохлаждения ч.з. и с.р. возрастают, при определенной ΔТ достигают максимума, после чего снижаются (рис. 7).