» » Затвердевание чистых металлов
23.01.2015

Затвердевание чистых металлов определяется по гетерогенному образованию зародыша, как это всегда происходит на практике, характером и скоростью перехода атомов из жидкой в твердую фазу. При расположении атомов на растущих кристаллитах выделяется значительная теплота плавления. Поэтому уменьшается переохлаждение на фронте затвердевания, благодаря чему уменьшается скорость кристаллизации.
Наконец, устанавливающаяся скорость затвердевания зависит от скорости отвода теплоты от фронта кристаллизации. Характер затвердевания обусловлен температурным градиентом на фронте затвердевания и тем самым направлением теплоотвода. При росте свободно затвердевающего в расплаве кристаллита с помощью освобождающегося тепла расплава непосредственно на фронте затвердевания устанавливается более высокая температура, чем в окружающем расплаве. Таким образом, теплота отводится через расплав. При этом рост сохраняется благодаря тому, что кристаллит предварительно прорастает многочисленными ветвями и разветвлениями в охлаждающийся расплав.
Такие свободно растущие кристаллиты в расплаве имеют форму дендрита, причем ветви дендрита растут предпочтительно в направлениях с более низкими индексами кристаллов. Это направление [100] при г.ц.к.- и о.ц.к.-решетках, а также [0001] у гексагональной решетки. При затвердевании остающегося расплава в междендритных пространствах дендриты объединяются в гомогенное твердое тело, причем устанавливается форма зерна, характерная для структуры металлов.
В случае чистого металла дендриты затем больше невидимы (рис. 11.1.1) в противоположность сплавам, где они выделяются благодаря различному составу зон, затвердевших в начале и в конце. Если кристаллиты холоднее, чем окружающий расплав, то они больше не растут по описанной дендритной форме, а проникают в жидкий расплав в виде гладкоплоской полигональной формы. Растущие зоны кристаллита перемещаются при этом в зоны более высокой температуры, и атомы внедряются в энергетически наиболее благоприятные плоскости наиболее плотной упаковки.
Затвердевание чистых металлов

Для получения таких условий теплота расплава должна отводиться быстрее, чем развивается фронт роста. Это может быть, например, тогда, когда кристаллиты непосредственно соприкасаются с холодной стенкой кокиля или на поверхности, которые металлизуются из потока расплава, например, при процессе пайки (рис. 11.1.2).
Форма и размер кристаллитов, образующихся путем соединения растущих зародышей, с другой стороны, зависят от условий образования зародышей и условий их роста, возникших вследствие отвода тепла. При высокой доле образования зародыша и сравнительно небольшой скорости затвердевания образуется мелкокристаллическая структура литья. Такие условия существуют непосредственно на холодной стенке кокиля и при наличии достаточно большого числа тугоплавких примесей в качестве образующих зародышей. Следовательно, получается, что при быстром охлаждении, например, в стальных кокилях достигается более мелкая структура литья, чем при медленном охлаждении, например, в формах из синтетических смол или в песчаных формах.
Затвердевание чистых металлов

Представленные зависимости структуры затвердевания от условий охлаждения приводят в краевых и центральных зонах отлитого поперечного сечения к соответственно различным структурам (рис. 11.1.3). Так, непосредственно на холодной стенке кокиля возникает мелкозернистая структура, которая вследствие ровных фронтов роста имеет шаровидную форму. Величина кристаллитов увеличивается внутрь поперечного сечения вследствие скорости роста, которая становится больше по сравнению со скоростью образования зародыша.
Благодаря перемещению тепла в направлении к стенке кокиля кристаллиты в возрастающей степени принимают вытянутую форму; такие кристаллиты называются транскристаллитами. Фронт роста при этом становится еще плоским и обусловлен направлением температурного градиента. По мере удаления от стенки формы устанавливаются условия, которые ведут к образованию дендритного фронта роста. Отвод тепла затем происходит сильнее в соответствии с условиями взаимодействия застывающих кристаллитов и увеличившимся переохлаждением расплава.
Эти условия особенно четко выражены тогда, когда наступает дополнительно так называемое физическое переохлаждение. С увеличивающимся далее расстоянием от стенки формы, т.е. к середине поперечного сечения, наблюдается часто снова очень мелкозернистая структура литья. Это обусловлено концентрацией тугоплавких примесей в остаточном расплаве с соответственно более высокой скоростью образования зародышей по сравнению со скоростью их роста.
Структура, характеризуемая столбчатыми кристаллитами, в основном встречается также в сварных швах, если там вследствие возникающих условий затвердевания глобулярные зоны появляются не тем же способом, который был описан (рис. 11.1.4). Центральная линия или скелетная линия при сварках представляет, так же как и у литых деталей, слабую точку, дающую при механической перегрузке полосу разрыва (рис. 11.1.5).
Затвердевание чистых металлов