Дві форми кристалізації

У природі й техніці спостерігаються в основному дві форми кристалізації: дендритна й нормальна.

При дендритній формі кристал росте по різко виражених напрямках, що називаються осями кристала. Спочатку утворяться осі першого порядку або головні осі, потім осі другого, третього й т.д. порядку (рис. 1.4а).

При нормальній формі кристалізації кристал росте шляхом нашарування атомних площин на гранях кристала приблизно рівномірно з усіх боків. У результаті утворюється геометрично правильний кристал полігональної або стовпчастої форми в плоскому зображенні (рис. 1.4б,в).

У природі переважає дендритна кристалізація (назва відбулася від грецького слова dendron, що значить дерево.

У техніці метали кристалізуються в основному за дендритною схемою, а солі - по нормальній. Крім того, вид кристалів буде залежати від форми відводу тепла: рівноважного, в усі сторони, або направленого. При спрямованому відводі тепла виростуть витягнуті (стовпчасті) або дендритні кристали.

а) дендрит; б) стовпчастий (витягнутий) кристал; в) поліедричний (рівноважний) кристал (контурними лініями показане зображення кристалів у плоскому перетині).

Рисунок I.4 - Види кристалів

У випадках, коли не вистачає металу для заповнення всіх міжосьових порожнин, що трапляються в усадкових раковинах, то дендритна форма кристалу зберігається.

Спостереження за процесом кристалізації металів і сплавів ускладнено у зв’язку з їх непрозорістю і високими температурами кристалізації. Тому вивчення цих процесів здійснюється різними побічними методами. У даній роботі процеси первинної кристалізації вивчають на кристалізації, на насичених розчинах солей, що відбувається в зв’язку з випаровуванням розчинника.

Вивчення процесу кристалізації здійснюється з допомогою біологічного мікроскопа.

Водні розчини солей готують насиченими для того, щоб незначне випаровування води привело до стану перенасичення.

Під час кристалізації рідкого розчину будь-якої солі, так само, як і стального зливка, можна спостерігати три різні зони кристалів які відрізняються своєю формою і величиною (рис.1.5).

Формування трьох зон можна пояснити різними умовами кристалізації. Кристалізація розчину починається з краю краплі, оскільки розчинник тут швидко випаровується і наступає перенасичення. Велика кількість дрібних кристалів є свідченням того, що за таких умов з’являється велика кількість числа центрів кристалізації.

Значне перенасичення водного розчину солі можна уподібнити значному переохолодженню металу під час кристалізації, коли гарячий метал заливають у виливницю. При першому зіткненні зі стінками виливниці (металевої форми) виникає значний перепад температур, що спричиняє переохолодження з утворенням великої кількості центрів кристалізації. У результаті кірка набу-ває дрібнозернисту будову (зона. 1)

До дрібнозернистої зони прилягає зона більших стовбчастих кристалів (зона 2), напрямок росту яких перпендикулярний до краю краплі, або до поверхні зливка. Тут перепад температур різко зменшується і відповідно зменшується ступень переохолодження сплаву.

Рисунок 1.5 - Схема будови сталевого зливка

Збільшення розміру кристалів свідчить про те, що зменшується число центрів кристалізації. Направленість росту кристалів, що зумовлює їх стовбчасту форму, визнана направленням тепловідводу, або зміною перенасичення розчину з краю краплі та в її центрі.

У центрі краплі та в центрі відливка виникає третя зона (зона 3), яка складається з великих різноорієнтованих рівноважних кристалів, що вказує на невелике число центрів кристалізації. Це пов’язано з незначним перенасиченням розчину солі, а у відливку з невисоким переохолодженням і відсутністю певного напрямку віддачі теплоти.. Це створює умови, за яких зароджується невелика кількість рівноважних кристалів, які ростуть рівномірно у всіх напрямках.

Під час охолодження об’єм металу зменшується (дає усадження), тому у верхній частині зливка утворюються порожнини: усадочна раковина і усадочна пухкість.