Teoretic procesul de cristalizare din metal bază

Procesul de formare a cristalului se numește cristalizare. Visual metale studiu cristalizare implică dificultăți tehnice. Deoarece legile de cristalizare a soluțiilor saline și a metalelor topite similare, studiul procesului de cristalizare poate fi realizată pe soluții saline.

Conform legilor termodinamicii, starea stabilă, în anumite condiții externe este o condiție care are un nivel de energie liberă mai mică. Sub energia liberă se referă la partea internă a energiei, care poate fi transformată în muncă. Dacă modificați condițiile externe (cum ar fi scăderi de temperatură) orice sistem tinde în mod spontan la starea cu cel mai scăzut nivel de energie liberă.

Odată cu schimbarea temperaturii în energia liberă a lichidului și solid Gzh GT capabil de a schimba în funcție de diferite legi (Fig. 4.2.1). La temperaturi ridicate, starea lichidă are o energie liberă mai mică, astfel încât metalul la aceste temperaturi este într-o stare lichidă (regiunea III, IV). La răcire a temperaturii metalului atinge T0. în care energia liberă a stării lichide și solide sunt egale. Această temperatură se numește teoretic (echilibrul) temperatura de cristalizare la răcire și punctul de topire în timpul încălzirii.

Fig. 4.2.1. Schimbarea energiei libere a Gzh GT-stare lichidă și solidă, în funcție dependență de temperatură: Tcr - temperatura efectivă de cristalizare, - teoretic
(Equilibrium) și temperatura de topire de cristalizare, # 916; T - gradul de subrăcire,
Tm - temperatura efectivă de topire, # 916; T „- gradul de supraîncălzirii

Când procesul de cristalizare T0 nu poate trece. Pentru dezvoltarea procesului de cristalizare este necesar să se creeze condițiile în care energia liberă a stării solide este mai mică decât energia liberă a stării lichide. Acest lucru este posibil numai când este răcit sub Tcr. t. e. sub temperatura de cristalizare teoretică cu o anumită valoare # 916; T. În metal regiunea II, la o răcire rămâne în stare lichidă, deoarece diferența (Gzh - GT) este mic, iar temperatura nu a atins valoarea critică Ta la care starea solidă are o energie liberă mai mică. La atingerea Tcr diferența (Gzh - GT) este crescută, astfel încât să fie în continuare metalul lichid nu poate și la această temperatură de cristalizare a metalului începe spontan.

În regiunea I (Fig. 4.2.1) metalică va fi în stare solidă. Tcr Temperatura actuală se numește temperatura de cristalizare. și diferența dintre temperatura teoretică și cea reală se numește gradul de subrăcire. Astfel, cristalizarea poate avea loc numai într-o subrăcire, teoretic sub temperatura de cristalizare.

Pentru dezvoltarea procesului de topire necesită un anumit grad de supraîncălzit. unde Tm - temperatura efectivă de topire.

D. K. Cernov înapoi în 1878 a arătat că cristalizarea este compusă din două procese elementare (Fig. 4.2.2). Primul proces este formarea unei soluții lichide de minuscule particule cristaline nucleația (nucleația). Intensitatea acestui proces depinde de numărul de embrioni RW. generate per unitate de volum (1 mm 3) pe unitatea de timp (1 sec). Al doilea proces constă în creșterea cristalelor de nuclee. Intensitatea acestui proces este determinată de viteza de cristalizare (SC) - mișcarea liniară a feței de cristal (în milimetri) pe unitatea de timp (1 sec).

Fig. 4.2.2. Succesive etape ale procesului de cristalizare

Cresterea cristalelor este ca embrionii lor pentru a alinia toate noile atomii de metal lichid. Primele cristale cresc în mod liber, păstrând o formă geometrică regulată, dar aceasta este numai până în momentul întâlnirii cristalelor de creștere. La punctul de contact al creșterii cristaline a unora dintre fețele lor și se oprește în evoluție, nu toate, dar numai unele dintre fețele cristalelor. Ca rezultat, cristalele nu au o formă geometrică regulată și sunt numite cristalite sau boabe.

Procesele de nucleaŃie și creșterea cristalelor au loc simultan, cu intensitatea lor depinde de gradul de subrăcire. La un anumit grad de FS valoare subrăcire și SK - constantă în orice moment în timpul procesului de cristalizare.

Mărimea cristalelor obținute depinde de raportul dintre N și CR RW la un anumit grad de subrăcire și este exprimat prin formula

unde # 945; - factor de proporționalitate.

La un grad scăzut de suprarăcire # 916; T1 (fig. 4.2.3) cristalele după solidificare să fie mai mare, cât mai puțin RW și CK este mare. Cu un grad mare de suprarăcire # 916; cristale T2 va fi mic, deoarece cristalizarea în acest caz vine la aproape aceeași IC. în primul caz, dar cu un RW mult mai mare.

Astfel, prin variația gradului de subrăcire, este posibil să se obțină cristale de diferite dimensiuni.

Fig. 4.2.3. RW Dependența și gradul de subrăcire SC a metalelor cristalizare

Gradul de hipotermie depinde de viteza de răcire. Cu cât viteza de răcire, cu atât mai mare gradul de cristale de subrăcire și fine. În condiții reale de solidificare a masei de metal mare în procesul de cristalizare, mărimea și forma cristalelor este influențată de alți factori solizi particule în suspensie refractare de impurități, corpuri străine, incluziuni gazoase, capacitatea termică a metalului, direcția de disipare a căldurii, curenți de convecție în metalul lichid, temperatura metalului turnat și forma de umplere a proceselor, starea suprafeței matriței (mucegai), și altele.

Forma cristalelor de creștere este determinată nu numai de termenii coliziunile lor cu altele, dar compoziția aliajului, prezența impurităților și a condițiilor de răcire. In cele mai multe cazuri, formarea cristalelor de metal mecanism de cristalizare este un personaj așa-numitul dendritică.

cristalizarea dendritic este caracterizat prin aceea că creșterea germenilor are loc la o viteză neuniforma. După nucleator lor de dezvoltare este, în principal, în acele zone de zăbrele, care au cea mai mare densitate de ambalare a atomilor (min distanta interatomică). În aceste direcții sunt formate ramuri lungi viitor cristal - așa-numita axa de ordinul întâi (I în figura 4.2.4.).

În continuare axele ordinul întâi la unghiuri drepte încep să crească axe noi, axele care sunt numite ordinul al doilea (II), din axele de ordinul al doilea cresc axa triplă (III) și t. D.

Fig. 4.2.4. Schema de creștere a cristalelor dendritica

Ca axă de cristalizare format mai mare pentru a (al patrulea, al cincilea, al șaselea, și așa mai departe. D.), care treptat umple toate spațiile ocupate anterior de către metalul lichid.

Dacă nu este suficient de metal lichid pentru a umple golurile mezhosnyh, structura arborescentă a cristalelor este menținută. Asemenea dendritele pot fi găsite în cavitățile contracție și pe suprafața liberă a lingourilor. Dacă metalul topit suficient pentru a umple spațiul mezhosnogo, cristale mari formate și alungite în direcția radiatorului principal. Aceste cristale columnare sunt numite.

Când chiuveta de căldură uniformă, și un număr mare de nuclee, cristalele cresc în același ritm în toate direcțiile și să crească ravnoocnymi.

Procesul de cristalizare lingoul de oțel a ucis (Fig. 4.2.5a) începe la pereții matriței și progresează succesiv spre centrul lingoului.

În pereții matriței asigură o zonă 1 (Fig. 4.2.5b) - Zona de fin echiaxială, cristal direcțional aleatoriu. cristale mici sunt obținute datorită răcirii rapide a mai multor pereți rece straturi adiacente de oțel topit.

Prin urmare, cristalizarea aici merge cu un grad mare de subrăcire, un număr mare de embrioni. Cristalele obținute echiaxiali, direcționate aleatoriu, pentru că prima axă de pliere perpendiculare neregularitățile cresc suprafața interioară a formei. Cristale Cultivarea se ciocnesc una cu alta și formează o zonă de mic cristal dezorientat.

Următoarea Zona 2 - Zona de cristale columnare - cristale mari, a căror axă principală este perpendiculară pe peretele matriței. Cristalele obținute de mari, deoarece în această zonă viteza de răcire este mai mică decât în ​​zona 1 t. Pentru a se evacuează căldură nu perete rece, și prin zona 1 și are peretele încălzit al matriței. Prin urmare, cristalizarea aici merge cu un grad mai mic de subrăcire, cu mai putine embrioni. Cristale alungite axa mare perpendiculară pe peretele matriței, deoarece în această direcție este principalul radiator. Zona centrală este formată din lingou 3 - zonă mare de cristal echiaxiale. În această parte a ratei de răcire lingou este mai mică decât în ​​Zona 1 și 2, astfel încât cristalizarea este la un grad mic de subrăcire, cu un număr mic de nuclee. Cristalele obținute în această zonă echiaxiali, orientate la întâmplare, pentru că îndepărtarea căldurii este în toate direcțiile la aceeași viteză. Scheletul cristalelor mari sunt dendrite (fig. 4.2.5a).

Fig. 4.2.5. Structura benzii de oțel: a) un lingou de oțel reale;
b) o diagramă a structurii lingoului 1 - cristale fine echiaxiali; 2 - cristale columnare;
3 - cristale mari echiaxiali