» » Кинетика процесса кристаллизации сплавов
14.01.2016

Кристаллизация путем зарождения и роста центров кристаллизации характеризуется зависимостью объема закристаллизовавшейся Vs и остающейся жидкой VL фаз от времени:
Кинетика процесса кристаллизации сплавов

где n и с — соответственно скорость образования центров кристаллизации и скорость их роста (величины постоянные при данной температуре кристаллизации Т). Анализ зависимости Vs(т) (рис. 3.3) показывает, что скорость кристаллизации dVs/dт сначала возрастает, достигает максимума при Vs - 0,5 V0 и далее снижается до нуля.
Кинетика процесса кристаллизации сплавов

Скорость процесса кристаллизации существенно зависит от степени переохлаждения ΔТ=Т0-Т в связи с тем, что снижение температуры кристаллизации оказывает влияние на скорость образования центров кристаллизации n и на скорость их роста с (рис. 3.4).
Ход температурной зависимости для n и с немонотонный с максимумом для кривой n при более низких температурах по сравнению с максимумом кривой с.
Кинетика процесса кристаллизации сплавов

Возрастание значений n и с при увеличении переохлаждения до некоторого значения сопровождается спадом при дальнейшем росте переохлаждения. Такой вид температурной зависимости обусловлен влиянием двух факторов. Первый фактор — термодинамический (см. рис. 3.4, кривая 1) — определяется уменьшением энергии образования критического зародыша ΔGкр - 1/ΔТ2 при увеличении переохлаждения, которое приводит к возрастанию вероятности образования центра кристаллизации w-e - ΔGкр/kT. Второй фактор — кинетический (см. рис. 3.4, кривая 2) — определяет вероятность присоединения атомов к зародышу, т. е. вероятность перехода атома из жидкой фазы в твердую w-e - Q/kT, где Q — энергия активации перехода атомов через границу раздела фаз; этот фактор приводит к затруднению образования центров кристаллизации при понижении температуры (увеличении ΔТ) вследствие снижения подвижности атомов, так как n - Ае-ΔGкр/kT e -Q/kT.
Аналогичный анализ справедлив также для зависимости линейной скорости роста от переохлаждения. Поскольку скорость зарождения центров n и скорость их роста с определяют скорость процесса кристаллизации, то для зависимости средней скорости кристаллизации от степени переохлаждения также характерна кривая с максимумом (рис. 3.5).
Кинетика процесса кристаллизации сплавов

Среднюю скорость кристаллизации при данной температуре Т определяют как величину, обратную времени кристаллизации.
Начало кристаллизации характеризуется наличием инкубационного периода, который возрастает с уменьшением скорости кристаллизации.
При переохлаждении, превышающем некоторое значение ΔТк, т.е. при высоких скоростях охлаждения расплава, процесс кристаллизации может быть заторможен, его скорость будет бесконечно малой и расплавленный металл может затвердеть, т.е. достигнуть вязкости стеклообразного состояния (-10в13 П), образуя металлическое стекло. Такое состояние металла называется аморфным, так как для него характерно отсутствие дальнего порядка расположения атомов и кристаллической структуры, а существует только ближний порядок расположения атомов, характерный для жидкости.
Влияние переохлаждения ΔТ на скорость образования центров кристаллизации я, на линейную скорость роста кристаллов с, максимумы которых соответствуют разным степеням переохлаждения определяет структуру слитка. В общем случае в слитке выделяют три зоны (рис. 3.6):
— зона мелкодисперсных кристаллов на поверхности слитка, контактирующей с изложницей (литейной формой), где переохлаждение максимально и реализуется существенное превышение скорости образования центров кристаллизации по сравнению со скоростью их роста (рис. 3.6, зона 1);
— зона столбчатых кристаллов, интенсивный рост которых идет в направлении максимального теплоотвода при меньших переохлаждениях (рис. 3.6, зона 2);
— центральная зона крупных равноосных кристаллов, образующихся в условиях высокой скорости роста при сравнительно невысоком переохлаждении и при отсутствии преимущественной направленности теплоотвода (рис. 3.6, зона 3).
Изменяя условия теплоотвода, скорость охлаждения, можно изменять соотношение размеров микрокристаллической зоны, зон столбчатых и равноосных кристаллов, вплоть до исчезновения отдельных зон.
Кинетика процесса кристаллизации сплавов