Фактори, що впливають на величину кристалів (величину зерна в металі)

1. Швидкість охолодження (V_ох °/с, °/хв). Швидкість охолодження легко задати всіляку залежно від охолоджувального середовища й різниці (градієнта) речовини, що охолоджується, і середовища.

2. Ступень переохолодження. Під розміром або ступенем переохолодження розуміється різниця між теоретичними й практичною (фактичної) температурами кристалізації

∆ Т = T_S – Т_Пр

Теоретична температура кристалізації - це така температура, при якій рівень вільної енергії рідкого та твердого стану однакові (рис. 1.2). Згідно із законами термодинаміки стійким фазовим станом речовини при певних зовнішніх умовах буде те, що має найменшу вільну енергію. Тому при температурі .вище Т_S стійким станом буде рідке, a нищу Т_S - тверде. Ступінь переохолодження залежить від швидкості охолодження. Чим більше швидкість охолодження, тим більше ступінь переохолодження (∆ Т) (рис. 1.2).

Рисунок 1.2 - Криві охолодження при різних швидкостях охолодження (сутність переохолодження)

3. Кінцевими факторами, що визначають величину кристалів є швидкість росту кристалів (ш к.,) та швидкість зародження центрів кристалізації (ш. ц.).

Швидкість росту кристалів є швидкість збільшення лінійних розмірів кристала в одиницю часу (мм/сек.; мм/хв). Число центрів, що зароджуються (ч.ц.) має розмірність 1/мм³ • сек. (число центрів кристалізації, що виникають у 1 мм³ за одну секунду). Вчений Тамман установив, що обидва ці параметра залежать від ступеня переохолодження (рис.1.3).

Рисунок 1.3 - Залежність V_кр та ч.ц. від ступеня переохолодження (∆Т)

Зі збільшенням переохолодження значення ш.к. і ч.ц. зростають, досягають максимуму, а потім знижуються й при більших ступенях переохолодження падають до нуля. Розмір зерен, що утворилися, залежить від співвідношення величин ш. к. і ч.ц. при досягнутому ступені переохолодження. При малій ∆Т провідний фактор - швидкість кристалізації: виростає мало великих кристалів. При великий ∆Т провідним параметром стає ч.ц. - виростає дуже багато малих кристалів.

Вплив швидкості охолодження підтверджується і на практиці. Чим більша швидкість охолодження (наприклад виливка в охолоджувану водою металічну форму), тим дрібніше зерно. Таким чином, швидкістю охолодження можна значною мірою регулювати величину зерна.

Крім того, на процес кристалізації, розмір і форму кристалів впливають й інші фактори, а саме: сторонні неметалічні домішки, чужорідні тіла, газові включення, механічні дії, теплоємкість теплопровідність самого металу, температура металу, що заливають, і форми, способи заливання, стан поверхні виливниці та інші.

4. Вплив на процес кристалізації у техніці. Вплив швидкості охолодження підтверджується і на практиці. Чим більша швидкість охолодження та ступень переохолодження (наприклад виливка в охолоджувану водою металічну форму), тим дрібніше зерно. Таким чином, швидкістю охолодження можна значною мірою регулювати величину зерна.

Але, як показали численні дослідження, сторонні частки (наприклад, оксиди, нітриди) мають набагато більше значення для утворення центрів кристалізації, чим їхнє мимовільне зародження.

У зв'язку із цим у сьогоднішній час здрібнювання зерна проводять не шляхом зміни ступеня переохолодження, а шляхом штучного введення в метал часток, що служать центрами кристалізації. Цей метод широко використається при одержанні якісних виливків із чавуну, алюмінієвих і ін. сплавів. Такі добавки називаються модифікаторами, а процес зміни величини або форми металевих зерен - модифікацією.