Тема 2 Формування структури металів та сплавів під час кристалізації

Перехід металу з рідкого стану в твердий називається кристалізацією. Будь-який стан речовини (рідкий чи твердий) визначається певним значенням вільної енергії, яка залежить від температури.

Вільна енергія - це складова повної енергії системи, яка може зворотньо змінювати свою величину при зміні температури.

Вільна енергія  дорівнює:

 ,  (1)

де  - повна енергія системи;

  - абсолютна температура системи;

  - ентропія.

Кристалізація відбувається за умов, що система переходить в термодинамічно більш стійкий стан, тобто, коли енергія Гіббса кристала менша за енергію Гіббса рідкої фази.

Зміну енергії Гіббса метала в рідкому та твердому стані в залежності від температури показано на рис. 6

 

а) б)

Рис. 4 - Зміна енергії Гіббса (вільної енергії) метала в рідкому  та твердому  стані в залежності від температури (а). Термічні криві охолодження при кристалізації чистих металів з різною швидкістю (1 – V1; 2 – V2 ; 3 – V3 ) ; V1 < V2 < V3 (б)

Будь-яка система завжди прямує до стану з найменшим запасом енергії, тому при температурах, вищих за  стабільним є рідкий стан, при температурах нижчих за  - твердий. При температурі  можуть існувати як тверда, так  і рідка фаза.

Рушійною силою процесу кристалізації (чи плавлення) є різниця вільних енергій - твердої та рідкої фаз:

 ,  (2)

де  - вільна енергія рідкої фази;

  - вільна енергія твердої фази.

Процес кристалізації може відбуватися при переохолодженні метала нижче рівноважної температури  . Різниця між рівноважною температурою  і температурою, при якій відбувається процес кристалізації  називають ступенем переохолодження.

 . (3)

Механізм кристалізації складається з двох елементарних процесів: утворення центрів (зародків) кристалізації та росту цих зародків.

В рідкому металі атоми знаходяться в стані безперервного руху. Однак в окремих об’ємах розплаву атоми зберігають порядок розміщення, який відповідає порядку в кристалічному стані. При зниженні температури кількість таких мікрооб’ємів збільшується і деякі з них можуть стати зародками кристалізації.

Подальший ріст зародків можливий за умов, що вони мають певну величину. Здатними до росту можуть бути зародки розміром більш ніж критичний.

Величину критичного зародка визначають за формулою (4):

 ,  (4)

де  - поверхневий натяг на границі фаз;

  - різниця вільних енергій рідкої та твердої фаз.

Розмір критичного зародка зменшується при збільшенні ступеня переохолодження.

Ріст зародків кристалізації відбувається внаслідок переходу атомів з переохолодженої рідини до кристалів.

Швидкість кристалізації залежить від швидкості утворення зародків  та швидкості їх росту  . Ці параметри суттєво залежать від ступеня переохолодження (рис. 5).

 

Рис. 5 - Схема залежності кількості зародків  та швидкості їх росту  від ступеня переохолодження

Швидкість утворення зародків  визначає кількість кристалів, які утворилися в одиниці об’єму за одиницю часу.

Швидкість росту зародків  - це швидкість збільшення лінійних розмірів кристала в одиницю часу.

З рис. 5 видно, що чим більшим є число зародків кристалізації і чим меншою швидкість їх росту, тим меншим буде розмір кристала (зерна), тобто утворюватиметься дрібнозерниста структура.

При невеликих значеннях ступеня переохолодження  кількість зародків мала. За цих умов утворюється грубозерниста структура.

При великих  - кількість зародків зростає і утворюється дрібнозерниста структура.

Кристали, що утворюються при кристалізації мають дендритну форму. При швидкому та нерівномірному тепловідводі метали кристалізуються в вигляді розгалужених дендритних кристалів (рис. 6).

Утворення (кристалізація) дендрита починається з утворення головної вісі кристала, яка росте в напрямку найбільшого тепловідводу. При подальшій кристалізації вісі розгалужуються і кристал набуває дендритної будови. Процес закінчується заповненням всього міждендритного простору, внаслідок чого кристал набуває скругленої форми.

 

Рис. 6 - Схема утворення дендрита

В тих випадках, коли рідкого металу недостатньо для заповнення всіх проміжків, то дендритна форма кристала зберігається.

При повільному та рівномірному тепловідводі, а також при великій кількості центрів кристалізації кристали ростуть з однаковою швидкістю в усіх напрямках, набувають рівноважної форми: зернистої чи поліедричної.

Розмір зерна метала суттєво впливає на його механічні властивості: пластичність, в’язкість, міцність метала вищі, якщо структура дрібнозерниста.

Величина зерна крім ступеня переохолодження залежить також від температури розливання рідкого метала, його хімічного складу, наявності домішок. З метою регулювання розміру зерна в рідкий метал штучно вводять речовини, які створюють центри кристалізації.

Процес штучного регулювання розмірів та форми зерен називають модифікуванням. Речовини, які вводять для цього називають модифікаторами.