Кинетика кристаллизации чистых металлов.

Скорость кристаллизации определяется числом зарождающихся центров кристаллизации n и скоростью их роста m. В отсутствии переохлаждения m,n=0. По мере увеличения степени переохлаждения, происходит увеличение числа центров кристаллизации и скорости их роста, причем число n увеличивается быстрее m. Это связано с тем, что с увеличением степени переохлаждения уменьшается критический размер зародыша и их количество. Однако с увеличением степени переохлаждения уменьшается скорость диффузионных процессов, контролирующих рост зародыша. Практически процесс кристаллизации осуществляется по восходящим ветвям. Нисходящие ветви не реализуются, т.к. металл кристаллизуется при постоянной температуре.

Возможное существования металлов в различных кристаллизационных модификациях называется полиморфизмом или аллотропией. При определенных условиях, атомы, образующие кристаллическую решетку одного типа, перестраиваются с образованием кристаллической решетки другого типа. По сути это кристаллизационный процесс, т.к. перенастройка решетки из одного типа в другой происходит при постоянной температуре. Однако, т.к. этот процесс имеет место в твердом состоянии его называют перекристаллизацией. К полиморфным металлам относятся: железо, олово, титан, марганец, кобольт.

Строение слитка

Кристаллы, образующиеся в процессе затвердевания металла, могут иметь различную форму в зависимости от скорости охлаждения и количества примесей. В направлении отвода теплоты кристалл растет быстрее, чем в других направлениях, в результате образуется древовидный кристалл — дендрит (рис. 2.15). Схематическое изображение дендрита впервые было сделано Д.К.Черновым.

Дендритное строение кристаллов является типичным для литого металла. Кристаллизация жидкого металла начинается у стенок изложницы. При этом весьма интенсивное охлаждение приводит к образованию огромного числа центров кристаллизации. Из-за большой скорости охлаждения образовавшиеся кристаллы не успевают вырасти, поэтому первая зона слитка имеет мелкозернистое строение (рис. 2.16). После образования первой зоны условия кристаллизации изменяются. Снижение температур охлаждаемого металла и повышение температуры стенок изложницы приводят к уменьшению скорости охлаждения. Для этой стадии кристаллизации характерен направленный отвод теплоты перпендикулярно стенкам изложницы. Кристаллы, образующиеся в этот момент, растут перпендикулярно стенкам изложницы внутрь жидкого металла. Это приводит к образованию второй зоны слитка — зоны столбчатых кристаллов.

В процессе дальнейшей кристаллизации направленность отвода теплоты теряется, скорость охлаждения значительно уменьшается, поэтому в центральной части слитка образуются крупные равноосные кристаллы. По мере кристаллизации металла примеси оттесняются в жидкую часть. Это предопределяет неравномерное распределение элементов как в микрообъеме, так и в различных зонах слитка. Неравномерное распределение химических элементов в объеме металла называется ликвацией.

Жидкий металл имеет больший удельный объем, чем твердый, поэтому в верхней части слитка, которая застывает в последнюю очередь, образуется полость — усадочная раковина, обычно окруженная наиболее загрязненной частью металла. Верхнюю часть слитка отрезают и переплавляют, а остальной металл подвергают обработке давлением.