15. Первоначальные представления о затвердевании металлов как о процессе образования только дендритной структуры в дальнейшем были уточнены. Установлено, что при прочих равных условиях структура металла зависит от условий теплообмена между твердой и жидкой фазами. Кристаллизация происходит в том случае, если температура поверхности раздела ниже равновесной. Чтобы обеспечить переохлаждение на фронте затвердевания, выделяющаяся скрытая теплота кристаллизации должна быть отведена либо через кристалл, либо в расплав. Затвердевание чистых металлов при отводе теплоты через твердую фазу осуществляется плоским фронтом. Однако твердая фаза неоднородна и имеет макромозаичную структуру, т.е. совокупность шестигранных или квадратных стержней. Предполагают, что границы между ними образованы скоплениями различных несовершенств кристалла. При затвердевании сплавов в зависимости от градиента температур в жидкости и содержания примесей наблюдают три формы фронта кристаллизации: плоскую, ячеистую и дендритную. Затвердевание с отводом теплоты в расплав характерно для роста изолированных кристаллов. Последние имеют исключительно дендритную форму, поскольку любой выступ на первоначально плоском фронте затвердевания попадает в область с большим переохлаждением, чем обеспечивается ускорение его роста.
Принято, что сплав затвердевает плоским
фронтом, если 
равен или больше градиента
температуры равновесного ликвидуса. Экспериментально определен критерий этого
условия:
Если оно не выполняется, то гладкий фронт переходит в ячеистый
При более глубоком переохлаждении у ячеек образуются боковые ответвления и они превращаются в дендриты. Критерием такого перехода выбрано условие
где
– экспериментально определяемая
постоянная.
Выражение (2.1) в первом приближении описывает условия устойчивости плоского фронта кристаллизации. Диффузионный механизм обеспечивает движение фронта со скоростью
Если скорость движения реального градиента температур меньше этой величины, то процесс последовательного упрочнения структуры успевает осуществиться. В противном случае, расплав, попадающий в область пониженных температур, не успевает упорядочить свою структуру, в нем создаются условия для возникновения новых центров кристаллизации, перестройка структуры идет хаотически, т.е. плоский фронт роста теряет устойчивость.
Обеспечить направление затвердевания сплавов плоским фронтом удается при скоростях движения градиента температур примерно до 10-5 м/с. В реальных условиях формирования слитков в изложницах скорость затвердевания превышает этот предел, и кристаллизация стали и сплавов всегда происходит с образованием дендритной структуры.
Закономерности формирования строения обычного слитка и причины его структурной неоднородности описаны многими исследователями. Установлено, что вследствие неравномерного охлаждения расплава в изложнице (периферия – быстрее, центр – медленнее) кристаллизация металла осуществляется последовательно-объемно, т.е. направленно от стенок изложницы с возможными объемным затвердеванием в центре.
После ликвации значительного переохлаждения расти могут только кристаллы, находящиеся на границе корковой зоны с расплавом. При направленном теплоотводе через корковую зону, достаточно большом температурном градиенте в расплаве и незначительном развитии зоны концентрационного переохлаждения на фронте затвердевания формируется зона столбчатых кристаллов. В этот период через нее отводится скрытая теплота кристаллизации, теплота охлаждения затвердевшего слоя и, что очень важно, постепенно снимается перегрев стали над температурой ликвидус. Затвердевший слой металла создает значительное термическое сопротивление. По мере его увеличения температурный градиент в расплаве и скорость кристаллизации постепенно уменьшаются, а ширина области переохлаждения перед фронтом прогрессивно возрастает. При определенных условиях рост столбчатых кристаллов прекращается, и в слитке начинается формирование центральной зоны крупных равноосных кристаллов
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.