ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Рост кристаллов из "Металлография железа 1 " Металлический зародыш, образовавшийся в соответствии с описанными выше процессами, во время затвердевания стремится к росту в определенных направлениях, пока вся жидкость не затвердеет в массу соприкасающихся зерен. [c.56] Предположим сначала, что скорость охлаждения во всех направлениях одинакова. Если имеется только один зародыш, то должен образоваться монокристалл, повторяющий форму тигля. Это один из методов получения монокристаллов. Если же, как обычно и бывает, в жидкости имеется несколько зародышей, то они будут расти и расходовать имеющуюся около них жидкость. В результате образуется поликристаллическое твердое тело, зерна которого примыкают друг к другу. Границы зерен будут прямолинейными, если зародыши образовались одновременно и росли с одинаковой скоростью. Если зародыши образовались неодновременно, то границы будут гиперболическими. [c.56] До соприкосновения друг с другом зерна, образовавшиеся на зародышах, принимают внешнюю форму, которая зависит от их состава, окружающей среды (твердое тело, жидкость, газ, раствор) и внешних условий. Свободные кристаллы могут быть полиэдрическими, выпуклыми или дендритными. [c.56] Форма кристалла изменяется по мере того, как протекает затвердевание и после его окончания она больше не существует как внешняя форма. Форму кристалла можно зафиксировать только путем удаления кристалла из незатвердевшего остаточного расплава. При этом получаются либо массивные кристаллы с плоскими гранями, либо дендриты различных форм. [c.56] Причины появления кристалла данной формы еще не совсем понятны. На эти сложные явления влияют такие факторы, как свободная энергия единицы поверхности раздела, адсорбция и диффузия, которыми обычно пренебрегают при исследовании фазовых превращений. При очень медленном охлаждении чистые металлы часто образуют полиэдры с плоскими гранями. Таким путем получаются металлические самородки. То же относится к тугоплавким окислам, выпадающим из жидкостей, в которых растворимость окислов низка алюминаты и карбо-нитриды титана в сталях, сульфиды марганца в чугунах. Этот случай будет рассмотрен в главе о включениях (ср. гл. 16). [c.56] Появление металлических кристаллов данной формы зависит от температурного градиента в жидкости и природы присутствующих примесей. Температурный градиент может быть либо положительным (тепло в таком случае отводится через твердое тело, например, когда затвердевание протекает от холодных стенок изложницы), либо отрицательным (например, внутри металлической массы во время затвердевания). [c.56] Рассмотрим сначала чистый металл. Поверхности раздела твердое тело—жидкость соответствует некоторая, иногда очень небольшая, степень переохлаждения. Это переохлаждение является существенным для протекания затвердевания оно уменьшается и, в конце концов, внутри жидкой фазы становится равным нулю. Макроскопическая форма поверхности раздела является обязательно плоской или, по крайней мере, гладкой, так как любая случайная выпуклость на твердом теле проникла бы в более горячую зону и ее рост тем самым замедлился бы. Однако в микроскопическом масштабе рост кристалла может протекать путем образования ступенек или наложения слоев, которые дают полосчатость микронных масштабов. И наконец, в атомном масштабе могут ускорить рост дефекты решетки путем добавления новых кристаллических слоев. [c.56] Сплавы состоят из основного металла Ме и растворенного вещества S, которое может повысить или понизить температуру ликвидуса в соответствии с его растворимостью в той или другой фазе. Если растворенный элемент повышает температуру плавления (рис, 44, а), то первые кристаллы будут обогащены растворенным элементом (рис. 44, б). В то же время, если растворенное вещество понижает температуру плавления (рис. 45, а), то первые кристаллы будут обеднены растворенным элементом (Со) растворенное вещество таким образом оттесняется в сторону жидкости (рис. 45, б) и температура ликвидуса понижается (рис. 45, в). [c.56] Последний случай является наиболее частым на практике и ниже мы рассмотрим, как протекает затвердевание при этих условиях. Если действительную линию ликвидуса (см. рис. 45, в) наложить на кривую, показывающую распределение температуры в пределах жидкости, то получится общая диаграмма, показанная на рис. 46. [c.57] При пересечении двух кривых — ликвидуса и температурного градиента (рис. 47) — переохлаждение имеется перед поверхностью раздела (заштрихованная область) оно обусловлено химической неоднородностью. [c.57] Следовательно, рост дендритов внутрь жидкости в направлении повышения температуры может протекать только в случае структурного переохлаждения. Кинетика роста контролируется относительным расположением двух ранее упомянутых кривых. [c.57] Этот вопрос будет рассмотрен более подробно в третьей части. Однако уже ясно, что если температурный градиент слишком велик или если исчезает обогащенный растворенным веществом слой, то переохлаждения больше нет и поверхность раздела остается макроскопически гладкой. Расчеты показали, что достаточно 0,01% растворенного вещества, чтобы вызвать структурное переохлаждение. [c.57] При отрицательном температурном градиенте в чистых металлах дендритные оси стремятся образовать правильно расположенные ветви. В действительности на каждой стадии затвердевания выделяется определенное количество тепла, которое уменьшает переохлаждение и задерживает кристаллизацию между ветвями, поэтому ветвь может расти только на некотором расстоянии от своих соседей. [c.57] Для сплава имеется дополнительная причина образования правильно расположенных ветвей, а именно, образование обогащенного растворенным веществом слоя между параллельными ветвями и последующее понижение температуры ликвидуса, которое тем самым моментально предотвращает затвердевание между ветвями. Таким образом, получаются дендритные структуры с равностоящими ветвями (ф. 121/1—3), величина которых зависит от скорости охлаждения, природы раствореннога вещества и конвекционных потоков в жидкости. Примером большого дендрита может служить знаменитый кристалл Чернова. [c.57] Анизотропия роста кристаллов обусловлена различной плотностью атомов на различных кристаллографических плоскостях. Чалмерс предположил, что температура затвердевания каждой из этих плоскостей различна. Для объемноцентри-рованных и гранецентрированных кубических металлов направление 100 перпендикулярно к изотермическим поверх- Рис. 49 ностям. [c.57] Таким образом, существует преимущественное направление роста. Если ориентация кристалла не является благоприятной, то рост ограничен по сравнению с более благоприятно ориентированными соседями. Эта дискриминация иллюстрируется рис. 48. который показывает, что любое зерно, в котором направление 100 не перпендикулярно к изотермам, может вырасти только до ограниченных размеров. [c.57] В атомном масштабе анизотропия проявляется как рост кристаллов в виде последовательных ступенек или слоев, которые можно наблюдать при быстром удалении жидкости. При этих условиях затвердевшая поверхность имеет параллельные бороздки толщиной в несколько эле.ментарных ячеек. Они имеют сходство с термически испаренными металлическими поверхностями. [c.57] Вернуться к основной статье