Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Зарождение центров кристаллизации при отсутствии второй фазы
При разливке жидкого металла в изложницы зарождение зерен перед поверхностью раздела жидкой и твердой фаз возможно лишь по достижении градиентом температуры критического значения, зависящего от концентрации растворенного вещества. Поэтому можно ожидать, что часть слитка будет иметь мелкозернистую и равноосную структуру, а другая часть — столбчатую (рис. 7); соотношение между ними зависит от температурных условий кристаллизации и от концентрации сплава.
Законченной теории образования равноосных зерен при естественном зарождении центров кристаллизации не разработано и до сих пор, хотя некоторые теоретические представления и гипотезы в общих чертах и намечены. Частичное или полное разделение дендритов, концентрационное переохлаждение и гетерогенное зарождение центров кристаллизации, зарождение центров на стенках тигля в значительной мере зависят от тепловых свойств и природы самого сплава. Ранние результаты исследований указывали на существование простых соотношений между концентрацией, температурными условиями кристаллизации и структурой слитка. Однако более позднее из этих исследований подтверждает результаты работы Норткотта, в которой показано, что величина зоны равноосных зерен в слитке [% (объемн.)] является весьма сложной функцией состава сплава и градиента температуры. Рис. 8 из работы Норткотта иллюстрирует характер такой зависимости.
Это свидетельствует о том, что концепцию концентрационного переохлаждения нельзя непосредственно использовать для предсказания характера структуры слитков в какой-либо системе сплавов. Объяснение результатов Норткотта состоит в том, что взаимодействие концентрационных и температурных полей, сопровождающих нормальный коллективный рост дендритов, при определенных соотношениях состава, градиента температуры и скорости роста меняет свой характер так, что возникает разделение объема кристаллизующегося металла по температурным условиям, влияющее на его макроструктуру.
При разливке многих сплавов важным параметром является степень перегрева жидкого металла: обычно величина зерна уменьшается при снижении степени перегрева. Примером может служить соотношение между степенью перегрева при разливке и величиной зерна в сплаве Аl+2% Си (рис. 9). Соотношение это не совсем простое: как можно видеть, оно зависит и от размера слитка.
Важную роль в формировании структуры слитка играет верхняя поверхность расплавленного металла. При открытой поверхности повышенное излучение тепла может увеличить перепад температур и вызвать конвекционные потоки, способные отделять мелкие дендриты с поверхности раздела твердой и жидкой фаз, приводя тем самым к образованию новых зерен; возможен также рост кристаллов вниз от открытой поверхности металла, выпадение образовавшихся дендритов или их осколков в расплав и зарождение новых зерен. На рис. 10 показано различие структур двух слитков: один из них кристаллизовался при наличии сетчатых перегородок (колошников), задерживавших падающие в расплав дендриты, второй — без таких колошников.
Если перед разливкой произойдет изотермическое выделение из расплава некоторой части первичной, фазы, можно легко получить мелкозернистый слиток. При разливке такой суспензии в изложницы затвердевание происходит очень быстро, приводя к мелкозернистой структуре сплава.
Зарождение центров кристаллизации в присутствии второй фазы
В большинстве технически интересных сплавов происходят эвтектические, монотектические или перитектические превращения, обычно помогающие зарождению центров кристаллизации. По достижении определенной концентрации растворенного вещества в междендритном пространстве или на границах зерен здесь возникают частицы второй фазы; в высококонцентрированных сплавах ее зарождение происходит в обогащенных растворенными атомами слоях у поверхности раздела жидкой и твердой фаз.
Процесс зарождения второй фазы на частицах первичной фазы понятен не до конца, хотя Сундквист и Мондольфо подробно исследовали его в эвтектических сплавах. Установлено, что частицы твердой фазы со сложной кристаллической решеткой должны быть хорошими зародышами для фаз с более простой решеткой; соответственно частицы с более простой решеткой — плохие зародыши для фаз с более сложной кристаллической решеткой. Например, в системе Pb—Sn частицы свинца с трудом вызывают зарождение кристаллов олова, а частицы олова являются эффективными зародышами кристаллов свинца. С этим согласуется и тот факт, что объемная доля равноосных зерен (и их величина) в случае присутствия в расплаве первичных кристаллов свинца отличается от объема зоны равноосных зерен данного сплава при наличии в расплаве первичных кристаллов олова.
Эффективность катализаторов зарождения зависит от целого ряда факторов; важными могут оказаться такие характеристики этих образований, как нарушения правильности строения кристаллической решетки, различие объемов, электронные свойства и поверхностная энергия.
В перитектической реакции образования частиц новой твердой фазы из жидкой и первичного кристалла существует диффузионный барьер; поэтому эта реакция для усиления зарождения, видимо, особенно эффективна: зерна, образовавшиеся в результате такого превращения, обычно остаются очень мелкими. Возникшие частицы твердой фазы, окруженные жидкой фазой переменного состава, действуют как гетерогенные «зародыши», на которых при достаточно малых значениях градиента температуры зарождается первичная фаза. Важной характеристикой процесса зарождения по перитектической реакции является то, что зародыши зерен образуются внутри расплавленного металла, непосредственно перед чистой поверхностью раздела, на которой зарождается матричная фаза — в результате в слитке образуется зона с равноосными зернами.
Во многих технических сплавах присутствуют выделения и такие инородные фазы, как окислы, карбиды или неметаллические включения, служащие катализаторами процесса зарождения центров кристаллизации. Обычно поверхность этих частиц несовершенна, содержит трещины и пустоты неизвестной формы, и если в этих пустотах имеются некоторые частицы твердой фазы, то зарождение может идти преимущественно в этих местах. На это указывает влияние теплового режима кристаллизации на величину образующихся зерен: при достаточной степени перегрева всевозможные твердые зародыши должны исчезать и места преимущественного зарождения пропадают.
Способность неметаллических включений вызывать зарождение центров кристаллизации определяется смачиваемостью включений матричной фазой (в жидком или твердом состоянии); становится все более очевидным, что для этого требуется определенное химическое взаимодействие между двумя фазами. Частицы, выделившиеся из расплава самопроизвольно, могут затем действовать как зародыши, так как выделившиеся частицы обладают ограниченной растворимостью в жидкой фазе.