» » Теоретические представления по вопросам кристаллизации слитков
04.02.2017

Так как в теории кристаллизации многие вопросы еще не вполне разрешены, а другие трактуются различными авторами по-разному, то здесь приходится вкратце коснуться их, хотя бы для того, чтобы читатель ясно представил себе точку зрения автора в тех пределах, которые необходимы для непосредственного уяснения явлений кристаллизации слитков.
Расплавленный металл или сплав яри высокой температуре можно себе представить состоящим из беспорядочно движущихся атомов. В тех случаях, когда в сплаве образуются химические соединения, среди движущихся атомов будут находиться также и молекулы соединений, при этом атомы, составляющие соединения, не остаются постоянными членами той или иной группы, составляющей химическое соединение. Если атом извне подходит близко к данной группе, в то время как соответствующий атом этой группы под влиянием теплового или какого-либо иного движения отошел на большее расстояние, чем пришедший посторонний атом, то последний вступает в химическое соединение этой группы, бывший же ее член вытесняется. При более высоких температурах усиливается диссоциация химических соединений вообще, и при некоторой достаточно высокой температуре соединение полностью распадается па составляющие его атомы. Атомы, как в соединении, так и вне его не являются вполне свободными, а они объединены электронами. При температурах, близких к температуре кристаллизации, в металле могут уже присутствовать группировки атомов, напоминающие пространственную решетку твердого металла. При более высоких температурах таких комплексов атомов будет меньше, а при достаточно высокой температуре их совсем не останется.
Кроме атомов, непосредственно составляющих сплав, присутствуют еще включения, не растворяющиеся в сплаве. Эти мелко раздробленные, чаще всего посторонние, твердые (а иногда и жидкие и даже газообразные) частички находятся во взвешенном состоянии в расплавленном металле.
Как образно говорил А.А. Байков, расплавленный металл не является совершенно «прозрачным»: он представляет «мутную» жидкость, в которой во взвешенном состоянии находятся посторонние частички.
Твердые взвешенные частицы с металлом образуют диаграмму состояний (рис. 171, а), которую утрированно можно представить как диаграмму, в которой имеет место образование, с обычной точки зрения, ничтожно малой области раствора. Такую диаграмму представляют в виде двух горизонтальных прямых линий (рис. 171, б). Волнистой линией показана температура, при которой металл или сплав находится в обычных условиях плавки.
Теоретические представления по вопросам кристаллизации слитков

Твердые взвешенные частички могут в какой-то ничтожно малой степени растворять в себе расплавленный металл или хотя бы только адсорбировать его на своей поверхности. Такие частички при кристаллизации сплава могут являться для него зародышами кристаллизации. Чем ближе пространственная решетка взвешенной частички к пространственной решетке металла или сплава, в котором она находится, тем легче она послужит зародышем кристаллизации, и наоборот. Частички активированные, т. е. такие, которые имеют некоторое количество атомов металла в адсорбированном или в растворенном состоянии, при высокой температуре могут дезактивироваться, т. е. потерять эти атомы металла: тогда они потеряют способность служить зародышами кристаллизации для этого металла или сплава.
Теоретические представления по вопросам кристаллизации слитков

Расстояния между атомами, а также и другими группировками в расплавленном металле больше, нежели в кристаллическом или аморфном (рис. 172, а). При переходе металла из расплавленного в твердое состояние, во-первых, уменьшаются расстояния между атомами; во-вторых, атомы закрепляются на определенных местах в виде пространственной решетки (рис, 172, б). Каждый кристалл имеет определенную ориентацию своей решетки в пространстве и нет необходимости предполагать, что на границах двух или нескольких кристаллов в твердом металле присутствует какое-то особое вещество. Такое вещество, разумеется, в отдельных случаях может там и быть, но не оно определяет характер связи на границах кристаллов. Силовое поле взаимодействия между атомами в средине кристалла отличается от силового поля ка границах двух или нескольких кристаллов, поэтому пространственная решетка по границам кристаллов несколько больше деформирована, чем внутри кристаллов. Это взаимодействие атомов на границах кристаллов удерживает их от распадения и придает им прочность. Никаких склеивающих цементов в виде межкристаллического вещества (по Тамману) или аморфных прослоек (по Бейльби) нет необходимости предполагать. He они (если бы они были) определяют прочность границ кристаллов твердого металла.
При переходе металла в кристаллическое состояние выделяется теплота кристаллизации. Если записать кривую охлаждения расплавленного металла до полного затвердевания, то пока металл находится в жидком состоянии, он охлаждается постепенно и более или менее равномерно. В одних случаях, после того как температура понизится немногим ниже температуры кристаллизации металла, начнется его переход из жидкого состояния в твердое. При этом выделится теплота кристаллизации, и температура поднимется до температуры кристаллизации. При дальнейшем охлаждении металл охладится до температуры немного ниже температуры кристаллизации и снова пойдет кристаллизация (рис. 173, а) и т. д. Переохлаждение, которое требуется для кристаллизации в присутствии зародыша — уже образовавшегося твердого кристалла, — ничтожно мало, поэтому оно обычно не обнаруживается при записи кривой охлаждения (рис. 173, б).
Теоретические представления по вопросам кристаллизации слитков

Иногда при кристаллизации металла первичное переохлаждение достигает значительной величины, но все же после того как выделится теплота кристаллизации, температура достигнет температуры кристаллизации, и горизонтальная площадка на кривой охлаждения отчетливо определится (рис. 173, в).
Бывает и так, что первичное переохлаждение еще больше, и теплоты кристаллизации хватает только на то, чтобы температура поднялась до температуры кристаллизации, но площадки на кривой обнаружить не удается (рис. 173, г).
Иногда же переохлаждение бывает настолько большим, что теплоты кристаллизации нехватает для того, чтобы температура поднялась до температуры кристаллизации. По этой кривой нельзя определить температуру кристаллизации как определенную физическую константу (рис. 173, д).
Наконец, в неметаллических веществах может наблюдаться полное переохлаждение, когда кристаллизации не наступает вовсе, хотя жидкость по внешним признакам приобретает вид твердого вещества, Hs кривой охлаждения никаких остановок не обнаруживается (рис. 173, в). По структуре такая переохлажденная жидкость будет иметь среднее расстояние между атомами, близкое к расстоянию между ними в твердом веществе, но ясно выраженной пространственной решетки в ней не обнаруживается (рис. 172, в). Металлы и сплавы металлов в аморфном состоянии не получены. То, что в литературе иногда называлось аморфным металлом, при более тщательном исследовании оказывалось чрезвычайно мелкокристаллическим металлом. Однако получение аморфного металла не следует считать задачей безнадежной.
При кристаллизации сплавов, дающих твердые растворы, кривые охлаждения выглядят иначе. Так как сплав кристаллизуется в этом случае в некотором температурном интервале, то на кривых охлаждения отсутствует вполне горизонтальный участок. В зависимости от наклона линий ликвидуса и солидуса при кристаллизации с образованием твердого раствора наибольшее количество твердой фазы, которое можно определить по правилу отрезков диаграмм состояний (рис. 173, ж, з), различное.
Если расстояние между линиями ликвидуса и солидуса расширяется в сторону понижения температуры (рис. 173, ж), то кривая охлаждения сплава показывает интенсивное выделение твердой фазы при начале кристаллизации (рис. 173, з). Остановку, соответствующую концу кристаллизации, часто бывает даже трудно определить.
В том случае, если сплав этого типа обнаруживает переохлаждение, то кривая показывает его при начале кристаллизации (173, и).
Если расстояние между линиями ликвидуса и солидуса по мере понижения температуры по диаграмме состояний сужается (173, к), то кривая охлаждения сплава показывает интенсивное образование твердой фазы в конце кристаллизации (рис. 173, л).
В случае переохлаждения такого сплава на кривой оно обнаруживается тоже в начале кристаллизации (рис. 173, м).
При кристаллизации сплавов эвтектического типа с твердыми растворами компонентов остановки на кривых охлаждения получаются отчетливо: начальная — вследствие выделения (связанного с расширением расстояния между линиями ликвидуса и солидуса с понижением температуры) (рис. 173, н) большого количества твердой фазы и эвтектическая — вследствие кристаллизации эвтектики при одной определенной температуре (рис. 173, о). Переохлаждение в этом случае может наблюдаться и при начале кристаллизации, и при кристаллизации эвтектической части сплава (рис. 173, п).
В условиях кристаллизации производственных слитков пользоваться равновесными диаграммами состояний не всегда возможно. А.А. Бочвар указывает на необходимость составления неравновесных диаграмм состояний. Так как для большинства сплавов такие неравновесные диаграммы, пригодные для практических целей, отсутствуют, то часто приходится равновесные диаграммы для производственных целей корректировать на основании наблюдений и теоретических рассуждений.