9.3. Влияние степени переохлажде­ния, примесей и модификаторов на процесс кристаллизации, размер и форму кристаллов затвердевшего сплава

Скорость образования центров кристаллизации и скорость их роста зависят от степени переохлаждения: с увеличением степени переохлаждения возрастает скорость образования центров кристаллизации и увеличивается скорость их роста, при определенной степени переохлаждения скорость достигает максимума (рис. 9.3).

Рис. 9.3. Зависимость скорости роста кристаллов (с.р.) и скорости образования центров кристаллизации (ч.ц.) от степени переохлаждения

При небольшой степени переохлаждения (линия а) скорость образования центров кристаллизации мала, а рост кристаллов происходит быстро, поэтому зерна получаются крупными. При большей степени переохлаждения (линия б) значительно увеличивается скорость зарождения центров кристаллизации, а скорость их роста уменьшается, поэтому зерна получаются мелкими.

В реальных условиях процессы кристаллизации в значительной степени зависят от имеющихся готовых центров кристаллизации. Такими центрами мо­гут быть твердые частицы разнообразных примесей, стенки формы для литья. Растворенные примеси в металле способст­вуют увеличению количества центров кристаллизации, если примеси будут по­верхностно-активными веществами, понижающими поверхностное натяжение. В этом случае уменьшается критический размер зародыша, что эквивалентно увеличению степени переохлаждения.

Рис. 9.4. Схема образования зерен металла при его кристаллизации из расплавленного состояния

Во время затвердевания металлов и сплавов идут два элементарных процесса: образование центров кристаллизации (зародышей) и рост кристаллов из этих центров за счет окружающей жидкой среды. Пока образующиеся кристаллы растут свободно, они имеют более или менее правильную геометрическую форму. Столкновение растущих кристаллов препятствует их свободному росту в точках встречи, вследствие чего внешняя форма кристаллов оказывается геометрически неправильной, что характерно для зерен металлов и сплавов (рис.9.4).

Образующиеся в процессе затвердевания кристаллы у большинства металлов и металлических сплавов имеют вытянутую древовидную форму (рис. 9.5, а) и называются дендритами (от греческого «дерево»). В процессе роста древовидного кристалла в первую очередь формируются его оси: главная, или ось 1-го порядка, – ствол, от которого отходят ветви – оси 2-го порядка, от них – оси 3-го порядка и т.д. Оси дендрита обогащены более тугоплавкими компонентами сплава, а оставшаяся жидкость обогащена легкоплавкими элементами, т.е. в ней скапливаются все примеси. Эта жидкость располагается в междуосном пространстве дендритов и затвердевает в последнюю очередь, что приводит к неоднородности химического состава кристалла. Данное явление называется дендритной ликвацией (ликвация – нарушение однородности химического состава).

Рисунок 9.5 - Схема дендритного роста кристалла (а) и строение слитка спокойной стали (б): 1- ось первого порядка; 2 - ось второго порядка; 3 - ось третьего порядка

Разрушение дендритов в процессе кристаллизации на практике обычно достигается введением в расплав определенных примесей в незначительном количестве, которые оказывают существенное влияние на размер и форму кристаллов. Такие примеси называются модификаторами, а сама операция введения их в расплав – модифицированием. Модификаторы в расплаве являются дополнительными центрами кристаллизации, поэтому при их введении образуется значительно большее количество зародышей твердой фазы, которые препятствуют росту друг друга и способствуют формированию мелкозернистой структуры. В качестве модификаторов могут служить примеси, изоморфные по отношению к основному металлу.