Зародышей кристаллов

Рост зародышей кристаллизации происходит в результате перехода атомов из переохлажденной жидкости к кристаллам. Кристалл растет послойно, при этом каждый слой имеет одноатомную толщину. Различают два элементарных процесса роста кристаллов.

Таким образом, под влиянием двух противоположных тенденций при изменении температуры складываются оптимальные условия, при которых скорость образования зародышей кристаллизации максимальна (рис. 12.4).

При охлаждении раствора и достижении критических условий спонтанно возникают устойчивые зародыши твердой фазы в жидкой среде. Этот процесс носит все черты локального неравновесного фазового перехода: нелинейное поведение системы, спонтанный переход из одного устойчивого состояния в другое, самоорганизация диссинативных структур, необходимая для этого перехода. Что же касается стадии роста устойчивого зародыша твердой фазы, то она полностью контролируется термодинамической самоорганизацией, при которой эволюция системы определяется стремлением системы к минимуму свободной энергии. Нелинейные условия в системе возникают в данном случае при наличие градиента температур, возникающего при переохлаждении. Способность чистых металлов к переохлаждению оценивают величиной -0,18 Тпл (Тпл - абсолютная температура плавления, причем она коррелирует с положением элемента в периодической системе). Поскольку переохлаждение расплавленных металлов при обычных условиях кристаллизации максимально на стенках литейной формы, то именно в этих областях преимущественно спонтанно возникают устойчивые зародыши кристаллизации. Наличие примесей в расплаве влияет на степень переохлаждения, оказывая кагалитическое воздействие на процесс кристаллизации [30]. Можно считать поэтому, что фуллерены в расплаве играют роль катализаторов, повышающих скорость химической реакции, подобно другим дисперсным примесям. Это означает, что кинетика образования устойчивых зародышей кристаллизации в железо-углеродистых сплавах может быть полностью задана небольшим количеством фуллеренов.

печения непрерывного роста пленки необходимость в образования зародышей кристаллизации отпадает и процесс легко протекает даже при небольшом пересыщении пара или раствора наносимого вещества.

При охлаждении переохлажденной жидкости в ней могут протекать процессы образования и роста зародышей кристаллизации (рис. 2.14). Эти процессы подробно описаны в главе 3. Здесь стоит только подчеркнуть, что с понижением температуры частота появления зародышей кристаллизации уменьшается, а скорость их роста возрастает. Можно построить так-называемую С-образную

Полиморфная кристаллизация (1) a-железа происходит в области концентраций х< 12% (ат.) В, когда аморфное состояние крайне нестабильно и его реализация чрезвычайно затруднена. В сплаве Ре8бВ14 происходит первичная кристаллизация а-железз (2), ее скорость, как правило, пропорциональна i/1/2, а энергия активации обычно мала. С ростом концентрации бора размер образующихся в результате кристаллизации зерен a-железа обычно уменьшается. В аморфном сплаве Fe8oB2o происходит эвтектиче-ск'ая кристаллизация (3) с разделением кристаллов a-железа и Fe3B. С дальнейшим повышением концентраций бора скорость, этой реакции уменьшается. Кроме того, она ниже скорости полиморфной кристаллизации (4) аморфного сплава Fe75B25, идущей с образованием кристаллов РезВ. Скорость реакции - полиморфной кристаллизации сплава Fe75B25 крайне чувствительна к изменениям химического состава и при отклонении от указанного состава на 1% (ат.), например, в случае сплава Fe74B26, она изменяется приблизительно в 5 раз. Несмотря на это, аморфный сплав Fe75B25 является высоко стабильным. Предполагают, что скорость образования зародышей кристаллизации в нем исключительно низка.

в процессе затвердевания наиболее толстых сечений перемешивать расплав. Перемешивание заставляет крошиться растущие дендриты, и образовавшиеся фрагменты действуют в качестве зародышей кристаллизации в еще незакристаллизовавшемся металле (рис. 15.10, б). К сожалению, в процессе такого затвердевания нарушается непрерывность питания и отливка получается более пористой. Некоторого улучшения сплошности можно затем достичь путем горячего изостати-ческого прессования. К существенному повышению среднего уровня свойств такой процесс кристаллизации не приводит, однако разброс свойств в значительной мере снижается, и 180

Рост зародышей кристаллизации связан с концентрационным переохлаждением. Оно развивается только в сплавах или в сильно загрязненных металлах. Расплав кристаллизуется в некотором интервале температур, а легирующие элементы или примеси снижают температуру ликвидуса а. Они накапливаются перед фронтом кристаллизации и снижают температуру ликвидуса еще в большей степени (рис. 3.1). Этот эффект повышается с увеличением скорости кристаллизации. Благоприятные условия в этом отношении создаются при электрошлаковой сварке (малые температурные градиенты) и при контактной точечной сварке (высокая скорость кристаллизации). В соответствии с объемным распределением градиентов температур и скоростей кристаллизации в сварном шве непрерывно возрастает концентрационное переохлаждение от границы сплавления к середине шва. В этой зоне возникает наибольшая вероятность образования зародышей кристаллизации, в результате чего при определенных условиях в середине сварного шва вследствие концентрационного переохлаждения может возникнуть второй фронт кристаллизации,

перпендикулярно к изотермическим граничным поверхностям и параллельно направлениям наиболее интенсивного теплоотвода. В результате образуются ориентированные столбчатые кристаллы. Кристаллиты второго фронта кристаллизации, образующиеся из зародышей кристаллизации в результате концентрационного переохлаждения, имеют, напротив, равноосное строение (фото 3.3).

Кристаллизация. Процесс, при котором из пересыщенной жидкой фазы выпадает избыток твердого вещества. Процесс зависит от Т, р, структуры твердой фазы. Процесс начинается с образования зародышей кристаллизации, которое зависит от скорости снижения температуры, интенсивности перемешивания, уменьшения относительной молярной массы. Поверхностная энергия определяет образование зародышей кристаллизации.

Кристаллизация. Процесс, при -котором из пересыщенной жидкой фазы выпадает избыток твердого вещества. Процесс зависит от Т, р, структуры твердой фазы. Процесс йачннаетси с образования зародышей кристаллизации, которое зависит от скорости снижении температуры, интенсивности пе^ ремешивании, уменьшения относительной молярной массы, Поверхностная энергия определяет образование зародышей Крис* таллнзации.

Снижение осадкообразования в присутствии добавок ортофос-форной кислоты происходит, по-видимому, в результате адсорбции фосфатов на поверхности зародышей кристаллов, что препятствует их дальнейшему росту.

В случае сильного перегрева металла, быстрого охлаждения, высокой температуры литья и спокойного заполнения формы зона удлиненных дендритных кристаллов может полностью заполнить весь объем слитка (см. рис. 2, а). При низкой температуре литья, очень медленном охлаждении (например, в серединных слоях крупных отливок) создаются условия для возникновения зародышей кристаллов в средней части слитка. Это приводит к образованию во внутренней части отливки структурной зоны 3, состоящей из равноосных, различно ориентированных дендритных кристаллитов (рис. 24). Размеры их зависят от степени перегрева жидкого металла, скорости охлаждения, наличия примесей и др.

А. Д. Чернов установил, что кристаллизация состоит из процесса зарождения «зачатков» или зародышей кристаллов (центров кристаллизации) и процесса роста кристаллов. Суммарная скорость кристаллизации зависит от скорости зарождения центров кристаллизации в единице объема жидкого металла (ч. ц.) и скорости их роста (с. к.). Г. Тамман нашел, что число центров и скорость их роста

При ТМО сталей наблюдается весьма сложное взаимодействие процессов пластической деформации и фазового превращения. Известно, что при пластической деформации в области стабильного аустенита (выше точки Acs) зерна аустенита дробятся на более мелкие и процесс блокообразования протекает более интенсивно. Последующая закалка, при которой температура стали быстро снижается ниже температуры рекристаллизации (чем предотвращается развитие собирательной рекристаллизации), позволяет сохранить блочную структуру деформированного аустенита до начала мартенситного превращения, которое протекает в пределах блочной структуры аустенита. Чем мельче будут получаемые при высокотемпературной деформации блоки в аустените, тем более дисперсной окажется структура мартенсита. Это и понятно, так как в тонкой структуре аустекита с нарушенным строением кристаллической решетки в областях границ блоков имеется большое число центров, энергетически выгодных для образования зародышей кристаллов мартенсита, а это предопределяет развитие тонких мартенситных пластинок. Превращение аустенита в мартенсит сопровождается дальнейшим измельчением областей когерентного рассеивания внутри кристаллов мартенсита до 10~5— Ю-6 см [19].

а) образование зародышей кристаллов на границе металл—• окисел;

х* - растворимость зародышей кристаллов при заданной степени их дисперсности.

пределения азота и титана в расплаве, поэтому они несколько» завышают минимально необходимое содержание обоих элементов, приводящее к возникновению нитридов уже в жидкой фазе. Таким образом, добавка титана с необходимым избытком должна привести к значительному увеличению количества зародышей кристаллов в расплаве; их тугоплавкость снижает величину переохлаждения, необходимую для начала кристаллизации, это приводит к более быстрому застыванию металла по всему объему, а следовательно, способствует значительному сокращению зоны транскристаллизации, что особенно важно для сталей с содержанием углерода в пределах 0,20—0,30% в смысле повышения их трещиноуетойчивости.

4) образование зародышей кристаллов растворенного металла в пересыщенном растворе в потоке и в пограничном слое;

5) перенос зародышей кристаллов в пограничный слой или из холодной части системы в горячую;

прочностных свойств материала этих зон (табл. 2). Характерным для многих литых материалов является то, что мелкокристаллическая поверхностная зона обладает по сравнению с внутренней более высокими механическими свойствами. Количество и размер зерен в каждой зоне определяются степенью переохлаждения, а также, как это показано в работе [23], условиями теплоотвода. Максимальное переохлаждение, большое количество центров кристаллизации ведут к массовому возникновению зародышей кристаллов, которые не успевают да и не могут развиваться из-за их тесного размещения. В такой структуре плотность межзерновых прослоек и укладки зерен весьма высокая, поперечный размер поверхностной зоны в зависимости от размеров (толщины) отливок может составлять 0,4—1,0 мм.

Поскольку наличие зародышей кристаллов облегчает выделение накипеобразоват телей, последние при нагреве и кипячении выделяются раньше из обработанной воды, а количество их, выделившееся за одно и то же время нагрева и кипячения, в этом случае оказывается большим.