Контрольная работа: Затвердевание сплавов Строение жидкого металла Термодинамические стимулы и кинетические возможности
В условиях когда ΔТ1 < ΔТ2 < ΔТ3 будет получено:
при ΔТ1 – крупное зерно;
ΔТ2 – чуть мельче;
ΔТ3 – максимальное измельчение структуры.
С увеличением ΔТ скорость образования зародышей, а следовательно, их число возрастают быстрее, чем скорость роста, это объясняется диффузиционными процессами, которые замедляются при низких температурах (больших Δ Т).
Чем больше скорость образования зародышей (ч.з. ) и меньше скорость их роста, тем меньше размер кристалла (зерна), выросшего из зародыша, структура металла будет мелкозернистой.
Величина зерна определяется:
S = 1,1 (с.р. /ч.з. )3/4
При малой ΔТ число зародышей мало, получено будет крупное зерно.
С увеличением ΔТ число зародышей возрастет (скорость образования зародышей) и размер зерна металла уменьшается.
Зерно металла (его размер) влияет на пластичность и вязкость. Чем меньше размер зерна, тем выше эти свойства у металлов.
6. Гетерогенное образование зародышей. Влияние примесей на процесс кристаллизации
Часто источником образования зародышей являются всевозможные твердые частицы (примеси – неметаллические включения, окислы и т.д.). Частицы примеси должны иметь одинаковую кристаллическую решетку с затвердевающим металлом, параметры решетки могут отличаться не более чем на 9%.
Наличие примесей приводят и уменьшают размер Rк , работы его образования, затвердевание жидкости начинается при меньшем ΔТ, чем при самопроизвольном зарождении.
Чем больше примесей, тем больше центров кристаллизации, тем мельче получается зерно (гетерогенное образование зародышей).
Примеси делятся:
1) влияющие на число зародышей (взвешенные примеси);
2) изменяющие свободную энергию системы (растворенные примеси в жидком металле – при затвердевании осаждаются в виде тонкого слоя на поверхности растущего кристалла, что приводит к уменьшению поверхностной энергии);
Модифицирование – использование специально вводимых в жидкий металл примесей (модификаторов) для получения мелкого зерна по описанному выше механизму.
Эти примеси не изменяют химического состава сплава, но измельчают зерно, улучшая свойства металла.
Виды примесей:
1) тугоплавкие соединения (влияют на число центров кристаллизации – ТiC, VC, VN, NbC, Al2 O3 – нитриды, карбиды, оксиды – кристаллизуются в первую очередь); для стали применяют – Al, V, Ti;
2) поверхность активные модификаторы: для никелевых и железных сплавов – В (бор), для чугуна Мg (магний).
7. Форма кристаллических образований
Реально протекающий процесс кристаллизации усложняется действием различных факторов, таких как: скорость и направление отвода тепла, наличие нерастворившихся частиц, конвекционные потоки жидкости, степень переохлаждения и так далее.
Кристаллы, образующиеся в процессе затвердевания металла, могут иметь различную форму. Чаще в процессе кристаллизации образуются разветвленные, или древовидные, кристаллы, получившие название дентритов (рис. 8).
Рисунок 8. Схема дендритного кристалла (а) и роста дендритов (б)
В направлении отвода тепла кристалл растет быстрее, чем в другом направлении. Это приводит к тому, что первоначально образуются длинные ветви – оси первого порядка. Одновременно на ребрах осей первого порядка зарождаются и растут перпендикулярные к ним такие же ветви второго порядка и так далее.