Кристаллизационные процессы формирования отливок

глава IV. Кристаллизационные процессы формирования

отливок

При переходе сплава из жидкого состояния в твердое происходит формирование кристаллической структуры. Структуру сплава в отливках рассматривают на трех уровнях: макроскопическом, микроскопическом и субмикроскопическом. На макроуровне рассматривают размер и геометрические формы литого зерна – кристаллита, которые выявляются при травлении макрошлифа или на фрактографиях – изломах образцов или отливок. Размер и формы кристаллита оценивают невооруженным глазом или при небольшом увеличении (´24). На микроуровне изучению подвергают структурные составляющие и фазы сплава отливки, выявляемые под микроскопом на шлифах, подвергнутых шлифованию и полировке с последующим травлением кислотными или щелочными растворами. На субмикроскопическом уровне изучается кристаллическая решетка металла и ее дефекты под электронным микроскопом.

Для литейной технологии и оценки качества литого металла обычно ограничиваются двумя первыми уровнями: макро-уровнем, где оценивают геометрические формы и размеры кристаллитов; а также микроуровнями с целью анализа структурных составляющих и фаз в структуре сплава отливки.

Процесс кристаллизации рассматривают с различных подходов и физических моделей. С позиции термодинамики температуру кристаллизации чистого металла оценивают на основе сопоставления величины изменения свободной энергии жидкой и твердой фаз. С ростом температуры свободная энергия и жидкого, и твердого металла снижается, но интенсивность снижения свободной энергии твердого металла меньше чем жидкого (рис. 57). Точка пересечения двух кривых соответствует температуре кристаллизации металла.

В термодинамической  теории  кристаллизации  используют  два понятия: 1) скорость возникновения центров кристаллизации или скорость зарождения – V_зар; 2) скорость роста зародившихся кристаллов – V_р. Соотношение этих двух скоростей определяет качественно величину формирующихся кристаллитов. Если V_зар > V_р, то формируется мелкозернистая структура (зарождаются кристаллиты быстрее, чем растут). При другом неравенстве скоростей V_р > V_зар образуется более крупнозернистая структура (кристаллиты растут быстрее, чем зарождаются новые).

Следующее понятие термодинамической теории кристаллизации – переохлаждение жидкого металла. Для того чтобы скорости зарождения и скорости роста отличались от нуля, температура расплава (Т) должна быть несколько ниже температуры кристаллизации:

.

Здесь DТ_п – величина переохлаждения, необходимая для кристаллизации металла. От величины переохлаждения зависит формирующаяся структура, в частности скорость зарождения и скорость роста зерен. Увеличение скорости зарождения кристаллитов с возрастанием переохлаждения объясняют следующим обстоятельством. Строение жидких металлов представляется как квазитвердое, в котором имеются группы атомов с упорядоченным взаимным расположением, подобным кристаллической решетке твердого металла (кластеры, ячейки, сиботоксические группы, флуктуации …). По вероятностному закону с понижением температуры расплава размер таких групп возрастает, и некоторые из них могут достичь размеров кристаллического зародыша. Оценим величину кристаллического зародыша количественно в зависимости от величины переохлаждения.

Будем считать кристаллический зародыш сферической формы, и тогда величина изменения свободной энергии образования твердого кристаллита радиусом «r» выразится:

, где F_жид – свободная энергия жидкого металла; F_тв – свободная энергия твердого металла.

По термодинамике

, где DН – изменение энтальпии; DS – изменение энтропии.

Для равновесных условий DF = 0 (скорость кристаллизации равна скорости плавления кристаллитов) и тогда

.

Отсюда выразим . Подставим величину DS в выражение свободной энергии и получим:

.

Для процесса кристаллизации величину изменения энтальпии можно принять равной удельной теплоте кристаллизации по абсолютной величине, но с обратным знаком, так как при выделении теплоты теплосодержание снижается:

.

А разность  представляет величину переохлаждения.

Тогда  для сферического зародыша кристаллита.

В термодинамике свободная энергия оценивается и как работа образования кристаллического зародыша, поэтому может быть представлена работой, затраченной на образование сферической поверхности:

, где s – величина межфазного натяжения на границе раздела металлический расплав – твердая фаза.

Изменение общей свободной энергии

.

Проанализируем функцию  на экстремум, взяв первую производную по «r» и приравняв ее к нулю.

.

Отсюда .