2. Основы теории сплавов. Диаграммы состояния

2.1. Физическая природа кристаллизации.

Кристаллизацией называется процесс формирования твердой фазы из расплава или раствора. Основная причина кристаллизации – стремление вещества перейти в более устойчивое для данной температуры состояние. Мерой устойчивости является термодинамическая характеристика – свободная энергия G. Свободная энергия зависит от температуры, причем для различных фазовых состояний эта зависимость различна:

G_Ж – для жидкой фазы;

G_Т  – для твердой фазы (рис. 2.1, а).

Точка пересечения кривых соответствует равенству свободных энергий твердой и жидкой фаз, T_Р – равновесная температура кристаллизации. Движущей силой процесса кристаллизации является разность свободных

энергий G = G_Ж  – G_Т. Она возникает лишь при некотором переохлаждении сплава до фактической температуры кристаллизации T_Ф. Степень переохлаждения T = T_Р – T_Ф увеличивается с увеличением скорости охлаждения металла V_ОХЛ.

а) б)

Рис .2.1. Изменение свободной энергии жидкой G_Ж и твердой G_Т фаз в зависимости от температуры (а); схема роста дендрита (б): I, II, II  – оси первого, второго и третьего порядка

Типичным случаем при кристаллизации металлов является образование разветвленных древовидных кристаллов – дендритов (от греч. «дерево»). Внешне дендриты напоминают морозные узоры на окне. Кристаллизация начинается с образования оси первого порядка (рис. 2.1, б – I), от основной оси отходят боковые отростки – оси второго и третьего порядка (рис. 2.1, б – II, III), процесс заканчивается затвердеванием междуосных пространств, где сосредотачиваются легкоплавкие составляющие (эвтектики) и неметаллические включения, образуются усадочные поры. В конце кристаллизации разветвленная конструкция превращается в монолитное зерно – макрозерно. Сечения отдельных веток дендрита называют микрозерном.

Для удобства анализа процесс кристаллизации был разделен на две стадии, каждая из которых характеризуется соответствующей скоростью:

1) скорость образования центров кристаллизации – «ч.ц»;

2) линейная скорость роста кристаллов – «с.р».

Соотношение этих скоростей определяет кинетику (особенности роста) и конечные размеры зерна (рис. 2.2, а).

При малых скоростях охлаждения и, соответственно, небольшом переохлаждении T₁, возникает мало центров кристаллизации, а скорость роста кристаллов достаточно высока – образуется крупнозернистая структура. С увеличением степени переохлаждения, до T₂ , резко увеличивается число центров кристаллизации, а скорость роста кристаллов растет в меньшей степени. В результате дендриты становятся короче, а их ветви – тоньше, т.е. измельчается макро- и микрозерно. Нисходящие ветви кривых «ч.ц» и «с.р» соответствуют сверхбыстрым скоростям охлаждения, при которых подавляются диффузионные процессы. В результате сверхбыстрого охлаждения в металле фиксируется аморфное состояние.

Изменение скорости охлаждения – один из важнейших способов, которым широко пользуются на практике для регулирования процесса формирования структуры отливки. Другим способом влияния на структуру и свойства литого металла является модифицирование.

Модифицирование – это технологический процесс введения небольших добавок (0,01 – 0,15 %) элементов с целью измельчения размеров зерна и всех структурных составляющих сплава (эвтектик, интерметаллидов). Различают два типа модификаторов:

1) поверхностно-активные добавки, концентрирующиеся на поверхности растущих дендритов и препятствующие их росту, например, натрий в алюминиевых сплавах;

2) добавки, образующие дополнительные «искусственные» центры кристаллизации в виде дисперсных тугоплавких химических соединений; так действуют добавки титана в алюминиевых сплавах.

На форму макрозерна большое влияние оказывают тепловые условия формирования отливки. При резко выраженном направленном теплоотводе основные оси дендритов растут в напралении теплоотвода значительно быстрее, чем оси второго порядка, в результате образуются столбчатые зерна (рис. 2.2, б – 1). При медленном и равномерном теплоотводе образуются разветвленные дендриты, макрозерна принимают равноосную форму (рис. 2.2, б – 2).

а) б)

Рис .2.2. Влияние степени переохлаждения на параметры кристаллизации (а) и структуру отливки (б): ч.ц  –  число центров кристаллизации, с.р  –  скорость роста