Структуры строения многокомпонентных жидкостей. Связь между свойствами жидких и твердых сплавов, страница 7

Наиболее вероятной причиной наблюдаемых корреляций, связывающих свойства жидких и твердых образцов, является неравновесность расплава перед кристаллизацией. Для полного протекания в расплаве процессов установления равновесия требуется прежде всего достаточное время, поэтому степень их завершенности к моменту кристаллизации может оказаться различной. Ход изменения во времени структуры расплава отражается на отдельных его свойствах, а в случае кристаллизации из разных состояний - и на свойствах твердого металла.

3.1 Процесс кристаллизации

Путем процесса кристаллизации осуществляется переход от расплава к твердому состоянию. Характер его протекания в значительной мере определяет структуру и свойства затвердевшего металла. Поэтому важно проанализировать возможную роль строения расплава в этом процессе.

Процесс кристаллизации достаточно больших масс металла очень сложен. Множество дефектов слитка и причин плохого качества литого металла не связано со структурой расплава, а вызвано в основном условиями теплоотвода. К таким дефектам относятся последствия зональной ликвации, выделения фаз по границам зерен, неметаллические включения, в том числе суб- и ультрамикроскопические. Сюда же следует отнести такие макродефекты, как трещины, завороты, корки, плены, «светлые» и другие «пятна» и т. д.

К этой группе дефектов в известной мере относится и ряд последствий дендритной (внутрикристаллической) ликвации.

В то же время известно много характеристик твердого металла, которые связаны с атомным механизмом процесса затвердевания и, судя по многочисленным источникам, не могут не зависеть от структуры кристаллизирующегося расплава. Это главным образом характеристики субструктуры, описывающие отклонения реального расположения атомов в фазовых составляющих сплава от идеальных моделей кристаллических решеток. К подобным несовершенствам кристаллического строения относятся точечные дефекты, дислокации и т. п.

Считается, что ни одна из существующих теорий кристаллизации не объясняет в полной мере всего многообразия наблюдаемых экспериментальных фактов. В ходе кристаллизации металлических расплавов одновременно протекают процессы микро- и макроскопического перемещения частиц и их групп, осуществляется теплопередача, происходят фазовые превращения. Лучше других изучено влияние тепловых процессов на формирование слитков. Обычно предлагается в целях получения плотного и однородного по химическому составу и структуре слитка управлять прежде всего отводом и подводом тепла, температурой разливаемого металла и скоростью разливки. При этом подчеркивается, что основную роль в затвердевании сплавов играют процессы, происходящие в двухфазной области, т. е. в интервале температур ликвидус - солидус и ниже.

Чаще всего рассматриваются три механизма роста кристаллов: возникновение и разрастание двумерных зародышей новых кристаллических слоев на атомарно-гладкой поверхности кристалла; дислокационный механизм (присоединение частиц к ступеням, образованным выходом винтовых дислокаций на поверхность кристалла) и нормальный механизм (беспорядочное присоединение частиц шероховатой поверхности раздела кристалл - расплав).

Предполагается, что металлы и сплавы в обычных для промышленной практики условиях должны иметь шероховатую границу раздела и расти по нормальному механизму. В случае чистых металлов не исключаются и послойные механизмы.

Структура расплава, даже равновесного, существенно влияет на механизм кристаллизации. Так, на примере силицидов и германидов железа и марганца экспериментально показано, что в тех случаях, когда структуры ближнего порядка расплава и твердой фазы достаточно близки, имеет место нормальный рост кристаллов. Расплавы же, структура которых представлена разнородными группировками атомов, кристаллизуются путем гранного механизма.