Концентрационное переохлаждение расплава

При выращивании сильно легированных кристаллов к рассмотренным видам неоднородностей добавляется еще канальная неоднородность, связанная с кристаллографической ориентацией растущей поверхности, и неоднородность, связанная с концентрационным переохлаждением расплава. [c.247]

Рис. 1.2. Концентрационное переохлаждение расплава перед движущимся фронтом кристаллизации сварочной ванны.

Поскольку увеличение скорости сварки, при прочих равных условиях, приводит к дальнейшему росту градиента температур в головной части сварочной ванны и уменьшению - в хвостовой [150], то уровень концентрационного переохлаждения расплава должен возрастать перед фронтом кристаллизации, особенно перед точкой а, п уменьшаться перед а, а, а" (см. рис. 1.4). Необходимо отметить, что аналогичным образом из- [c.15]

Еще одна особенность кристаллизации сплавов — влияние градиента концентрации растворенного элемента в слое переохлажденного расплава, контактирующего с твердой фазой, на температуру Т я- При кристаллизации сплавов происходит диффузионное перераспределение примесей между жидкой и твердой фазами. Переохлаждение, связанное с перераспределением примесей, принято называть концентрационным переохлаждением. [c.443]

Увеличение концентрации примеси перед фронтом кристаллизации приводит к снижению температуры ликвидуса. При этом возникает область концентрационного переохлаждения АТ (рис. 12.10), поскольку из-за изменения состава 1 этого слоя меняется и температура кристаллизации 2. Фактическая температура 3 расплава, зависящая от сложившихся температурных условий кристаллизации, может быть ниже равновесной температуры 2, что вызывает переохлаждение 4 и обеспечивает возможность кристаллизации. [c.443]

У кристаллов появляются ветви второго порядка, свойственные дендритному строению. Последние порции расплава могут оказаться настолько концентрационно переохлажденными, что в них зарождаются новые кристаллы, которые, препятствуя росту столбчатых кристаллов, образуют в центре шва зону с равноосной структурой. [c.454]

Формирование сварного соединения при сварке плавлением сопровождается сложными диффузионными процессами в жидкой и твердой фазах, которые приводят к изменению химического состава в различных зонах, выделению или перераспределению примесей и легирующих элементов. При рассмотрении явления концентрационного переохлаждения уже указывалось на то, что состав кристаллизующейся твердой фазы будет отличен от состава исходного расплава. Вследствие этого по мере увеличения количества затвердевшего металла состав остающегося расплава, так же как и состав образующейся твердой фазы, будет постоянно изменяться. Поэтому при неизменности общего количества примесей в кристаллизующемся объеме сварочной ванны содержание их в различных участках шва неодинаково, что может приводить как к изменению прочностных характеристик, так и к снижению показателей свариваемости. [c.455]

При пайке железа медью с разными зазорами структура, формирующаяся при затвердевании расплава, оказывается при прочих равных условиях различной в малых и больших зазорах. В широких зазорах (0,5—2 мм) кристаллизация происходит с образованием развитой дендритной структуры и имеет характер объемного затвердевания. Содерл<ание железа в осях дендритов достигает 4%, а на периферии падает до 2—2,5 % (массовые доли). Смена форм затвердевания с изменением размера зазора вызывается изменением условий кристаллизации. Согласно существующим представлениям тип кристаллизации сплавов определяется градиентом температуры расплава, а такл<е величиной и протяженностью области концентрационного переохлаждения вблизи фронта кристаллизации. При прочих равных условиях уменьшение зазора, а следовательно, слоя кристаллизующейся жидкости, начиная с определенного момента, приводит к таким изменениям указанных факторов, что дендритная форма кристаллов постепенно уступает место ячеистой, а последняя — преобладающему росту кристаллов с гладкой поверхностью. Окончательная кристаллическая структура металла шва не соответствует первоначальным формам роста кристаллов. Новые границы зерен в шве пересекают в произвольных направлениях дендритные и ячеистые кристаллы. При больших зазорах имеются участки, где вторичные границы совпадают с пограничными зонами первичных дендритов. При малых зазорах структура шва по ширине представляет собой один слой зерен. Возникновение вторичной структуры в литых сплавах связывается с образованием при кристаллизации большого числа дефектов (дислокаций и вакансий), способных перемещаться и группироваться в определенных участках затвердевающего металла. [c.34]

При получении устойчивой суспензии создаются условия для зарождения центров кристаллизации в объеме концентрационных флуктуаций адсорбированного веш,ества, формирующего локальное концентрационное переохлаждение. В этом случае состояние расплава может значительно отклоняться от положения равновесия и фазовый переход должен происходить с меньшим энергетическим барьером, чем при обычных условиях кристаллизации. [c.223]

Для роста образовавшегося кристалла необходимо, чтобы на фронте кристаллизации постоянно поддерживалось переохлаждение. Если величина переохлаждения невелика, то устойчивым будет плоский фронт кристаллизации. С увеличением переохлаждения произойдет смена форм роста кристаллов на ячеистую, затем дендритно-ячеистую и, наконец, дендритную. Это касается затвердевания чистых металлов. В паяных же швах, как правило, происходит кристаллизация сплавов. В этих случаях необходимое для поддержания процесса роста кристаллов переохлаждение на фронте кристаллизации обусловлено возникновением так называемого концентрационного переохлаждения. При кристаллизации сплавов идет процесс перераспределения атомов для поддержания равновесных составов твердой и жидкой фаз. Этот процесс называется разделительной диффузией, он приводит к обогащению слоя расплава, прилежащего к фронту кристаллизации, компонентом, снижающим температуру расплава. Так возникает градиент концентрации этого компонента. В жидком растворе в то же время идут диффузионные процессы, направленные на выравнивание состава обогащенного слоя и более отдаленных участков. [c.99]

Толщина слоя перед фронтом кристаллизации, обогащенного примесью, лежит в пределах 10 —10 см и зависит от скорости диффузии в расплаве и от скорости роста твердой фазы. Этот слой создает перед фронтом кристаллизации зону так называемого концентрационного переохлаждения, связанного с возникновением в расплаве перед фронтом кристаллизации градиента концентрации второго компонента. Существование и величина этой зоны зависят от толщины обогащенного слоя и от градиента температуры в расплаве. Концентрационное переохлаждение может исчезнуть, если градиент температуры в расплаве будет равен (или больше) градиенту температуры ликвидуса у фронта кристаллизации. [c.100]

На форму роста кристаллов затвердевающего сплава величина переохлаждения оказывает решающее влияние. Гладкий фронт кристаллизации устойчив при малом термическом переохлаждении расплава перед фронтом кристаллизации. С развитием зоны концентрационного переохлаждения гладкая форма фронта кристаллизации становится неустойчивой, появляются выступы, вершины которых продвигаются через обогащенный примесью слой расплава. Возникает дополнительный диффузионный поток (параллельный фронту), что снижает концентрацию примеси в этих местах и тем самым повышает температуру кристаллизации на вершинах выступов. Все ЭЮ обеспечивает устойчивость системы выступов, образуется ячеистая структура. [c.100]

При пайке выделяющаяся скрытая теплота кристаллизации главным образом отводится через твердую фазу (стенки изделия) в направлении, противоположном росту кристаллов. Тепловой поток в перпендикулярном к этому направлению ничтожен и им можно пренебречь. По мере удаления от фронта кристаллизации температура расплава растет. Подобные температурные условия отвечают направленной кристаллизации металла и в отсутствие концентрационного переохлаждения приводят к устойчивому плоскому фронту кристаллизации. [c.101]

Фиг. iS. Схематическое изображение зоны концентрационного переохлаждения в расплаве (Гд < Т ), обусловленного накоплением примеси перед фронтом кристаллизации внутри слоя толщиной б [21].

С 0 = 0,5, в расплаве, как правило, будет существовать зона концентрационного переохлаждения. [c.184]

Как уже было сказано выше, вследствие существования зоны переохлажденного расплава у поверхности раздела макроскопически плоская поверхность раздела становится нестабильной относительно поверхности раздела, имеющей ячеистую структуру. В д)езультате случайно возникающие изменения формы поверхности раздела теперь не исчезают, а развиваются. Условие оптимизации, выраженное уравнением (24), будет приводить к превращению гладкой поверхности раздела в ячеистую, если при выполнении всех граничных условий выступающие части (головки) ячеек могут продвигаться в расплав дальше, чем гладкая поверхность раздела. Это означает, что в случае чистого материала при положительном температурном градиенте G никакие стабильные изменения формы поверхности раздела невозможны. Действительно, если на поверхности раздела образуется искажение, выступ, его равновесная температура плавления понижается вследствие эффекта Гиббса — Томсона, выступ будет рассасываться и поверхность останется плоской. Однако в расплаве, содержащем примеси, появление выступа на поверхности раздела вызывает, кроме того, боковую диффузию примесей, вследствие чего концентрация примеси вблизи выступа уменьшается, а равновесная температура плавления соответственно возрастает. Сегрегация примеси будет также уменьшать S.H. Если общий эффект изменения Ti и АЯ таков, что кончики ячеек Могут продвигаться быстрее плоской поверхности раздела, в отношении образовавшейся ячеистой структуры поверхности раздела будет выполняться уравнение (24), и при наличии концентрационного переохлаждения эта структура станет стабильной. [c.184]

Уравнение (25) было экспериментально подтверждено в опытах со свинцом и оловом. Однако, как и ожидалось, исходная нестабильность не сразу приводила к возникновению ячеистой структуры было обнаружено, что для того, чтобы ячеистая структура становилась устойчивой формой поверхности раздела, требовалось создание некоторой конечной степени концентрационного переохлаждения. На фиг. 20 на примере кристаллов свинца и олова показан характер изменения структуры поверхности раздела в этой переходной области при различной степени концентрационного переохлаждения, которое существовало бы в расплаве перед гладкой поверхностью раздела. [c.184]

Успех выращивания монокристаллов в значительной мере определяется двумя взаимно дополняющими друг друга факторами 1) формой фронта кристаллизации и 2) степенью концентрационного переохлаждения, возникающего в расплаве перед поверхностью раздела. [c.206]

Если в расплаве имеются гетерогенные зародыши, которые могут вызывать образование твердой фазы при переохлаждении 8Тс, тогда везде, где в расплаве концентрационное переохлаждение превышает бГс, будут образовываться в большом количестве случайные кристаллы. Таким образом, условие образования случайных кристаллов может быть выражено аналогично условию возникновения ячеистой структуры поверхности раздела [c.207]

При вытягивании кристалла из расплава поддерживается постоянная температура, а растущий кристалл вытягивается в зону более низких температур (способ Чохральского, способ Степанова). Теплоотвод, необходимый для роста кристалла, осуществляется вдоль его вертикальной оси. Особенностью вытягивания из раствора является обязательное понижение температуры раствора или раствора-расплава из-за ухода компонентов в твердую фазу, а следовательно, необходимости поддержания концентрационного переохлаждения. [c.312]

Рис. 135. Схема образования в расплаве перед фронтом кристаллизации области концентрационного переохлаждения.

Так как при кристаллизации переохлажденного расплава поверхность раздела фаз имеет выступы, то концентрационное переохлаждение создает благоприятные условия для роста именно этих выступов. Возникающие у выступов диффузионные потоки обедняют примесями вершины их и обогащают ими боковые грани. При достаточной протяженности зоны переохлаждения у кристаллов появляются ветви второго порядка, свойственные дендритному росту. На некоторой стадии роста столбчатых кристаллов последние порции расплава оказываются настолько концентрационно переохлажденными, что в них зарождаются новые кристаллы. Последние, препятствуя росту столбчатых кристаллов, образуют в центре [c.270]

Если ликвационные процессы протекают в условиях конвективного движения расплава, то величины концентрационного переохлаждения АТс и концентрации ликвирующих примесей на поверхности кристалла рассчитывают с использованием эффективного коэффициента распределения [c.34]

В случае термического или концентрационного переохлаждения, а также взаимодействия с основным металлом происходит образование в расплаве и в зоне спаев отдельных кристаллов, что [c.88]

Смена форм затвердевания вызывается изменением условий кристаллизации. Согласно существующим представлениям, кристаллизация сплавов определяется градиентом температуры расплава, а также величиной и протяженностью области концентрационного переохлаждения вблизи фронта кристаллизации. При прочих равных условиях уменьшение зазора, а следовательно, толщины слоя кристаллизующейся жидкости, начиная с определенного момента, приводит к таким изменениям указанных факторов, что дендритная форма кристаллов постепенно уступает место ячеистой, а последняя — преобладающему росту кристаллов с гладкой поверхностью. Следует отметить, что окончательная кристаллическая структура металла зоны сплавления не соответствует первоначальным формам роста кристаллов. Новые прямолинейные границы зерен в шве пересекают в произвольных направлениях дендритные и ячеистые кристаллы. [c.114]

Однако часто перед фронтом кристаллизации возникают новые кристаллы, которые успевают развиться раньше, чем к этому месту приблизятся столбчатые кристаллы, растущие от поверхности охлаждения. В таких случаях рост столбчатых кристаллов прекращается и они заменяются более или менее равноосными. Образование зоны равноосных кристаллов связано с возникновением перед движущимся фронтом кристаллизации области переохлажденного расплава. Переохлаждение, необходимое для зарождения [см. формулу (3)1 и роста кристаллов, в этой области может носить либо термический, либо концентрационный (в сплавах) характер. [c.434]

Возникновение концентрационного переохлаждения связано с тем, что в неравновесных условиях кристаллизации состав образующейся твердой фазы отличается от состава жидкости, из которой она образуется. Это приводит к возникновению в жидкости перед фронтом кристаллизации градиента концентрации и изменению равновесной температуры ликвидус в этом слое. Если фактическая температура расплава в этом слое ниже равновесной температуры ликвидус, то в слое наблюдается концентрационное переохлаждение. [c.434]

Можно предположить, что под влиянием ультразвука от кристаллов, растущих от стенок тигля, отламываются небольшие осколки и разносятся по объему расплава. Эти кристаллики могут расти, если они находятся в области расплава с температурой ниже точки ликвидус кристаллизующегося сплава Т]). При затвердевании сплава фронт кристаллизации имеет вид изрезанной поверхности. Температура на переднем крае фронта кристаллизации (<ф) отличается от температуры ликвидус (Г/,). Это отличие зависит от степени изрезанности фронта [12]. Наличие зоны концентрационного переохлаждения перед фронтом кристаллизации приводит к тому, что кристаллики, попав в эту зону, получают способность расти. Без ультразвука кристаллы в эту зону не попадают и температурная кривая в этом случае не имеет никаких особенностей в интервале между )(ф и ТI- Первый излом на этой кривой соответствует температуре < Ть и тому моменту, когда передний край фронта кристаллизации достигает места установки термопары. [c.453]

Перемешивание, изменение характера температурного поля (увеличение градиента температур вблизи фронта кристаллизации) и интенсификация конвективной диффузии способствуют уменьшению зоны термического и концентрационного переохлаждения в расплаве и тем самым выравнивает фронт кристаллизации, а также препятствует образованию ячеистой и дендритной структуры и развитию дендритной ликвации. [c.461]

Избежать концентрационного переохлаждения можно путем создания в процессе выращивания кристалла больших градиентов температуры у фронта кристаллизации, а также путем интенсивного перемешивания расплава для разрушения диффузионного слоя перед фронтом кристал- [c.249]

На рис. IV. схематически показано образование зоны концентрационного переохлаждения для случая, когда примесь или второй (легирующий) элемент понижает температуру плавления сплава. По мере удаления от фронта кристаллизации концентрация примеси в расплаве уменьшается, а температура в связи с этим возрастает. Крутизна кривых (градиенты концентраций и температур) зависит от общего содержания примеси в сплаве и скорости ее отвода в глубь расплава. [c.277]

Рис. IV.7. Схема концентрационного переохлаждения в жидком расплаве для случая, когда примесь (или второй элемент) снижает температуру плавления сплава 1 — распределение примеси в жидкости перед фронтом кристаллизации 2— распределение температур в жидкости перед фронтом кристаллизации.

Прп неизменном характере распределения примеси перед всеми точками фронта кристаллизации должно оставаться одинаковым и распределение равновесной температуры начала кристаллизации. В этих условиях наибольший уровень концентрационного переохлаждения достигается в расплаве перед точкой а [122, 124, 125, 162], а минимальный - перед а [124, 125, 159]. Изображенная концентрация описывается аналитически неравенством [49, 157] [c.15]

Другим очень важным типом морфологии поверхности раздела является так называемая ячеистая структура, образующаяся при некоторых условиях при выращивании кристаллов из расплава, загрязненного примесями, или при кристаллизации сплавов. Фотографии подобной структуры приведены на фиг. 17 и 18. На фиг. 17 показана поверхность кристалла свинца после декантации расплава, а на фиг. 18 — фотография кристаллов льда, образующихся при росте из раствора К2СГО4. В 1953 г. Руттер и Чалмерс [13 J первыми высказали предположение, что эта ячеистая субструктура, которую можно наблюдать на поверхности раздела кристалл — расплав с помощью метода декантации, возникает вследствие образования в непосредственной близости от поверхности рйздела зоны концентрационного переохлаждения расплава. Несколькими годами раньше это явление было предсказано теоретически Иванцовым [91. Связано оно с накоплением примеси на фронте кристаллизации (фиг. 19). На основании диаграммы состояния и известного закона распределения примеси в расплаве можно рассчитать распределение равновесной температуры затвердевания Те взятой жидкости (фиг. 19). Кроме [c.181]

Процесс кристаллизации представляет собой фазовое превращение, состоящее из двух стадий - образования зародышей (центров кристаллизации) и их дальнейшего развития в первичные кристаллиты [79, 168, 161]. Термодинамическим условием осуществления такого процесса является спижепие свободной энергии системы [43, 148]. В случае мпогокомиопепт-пых систем первичная кристаллизация реализуется в условиях концентрационного переохлаждения расплава [И, 77, 163]. [c.5]

Ориентированная композитная микроструктура в отливках из эвтектических сплавов ( юрмируется в процессе направленной кристаллизации при условии плоского фронта роста фаз, т.е. при отсутствии концентрационного переохлаждения расплава перед фронтом роста фазы, контролирующей кристаллизацию. [c.63]

Если протяженность зоны концентрационного переохлаждения 6з достаточно велика и переохлаждение больше некоторой критической величины, при которой еще происходит образование ячеистой структуры, то на всех ячейках начинают образовываться ветви и они превращаются в дендриты. Условием образования дендритной первлчной структуры (рис. 12.12, в) будет Фз<.АСо/к. Дендриты сплавов имеют субструктуру, напоминающую ячеистую. Образование такой структуры на дендритах, растущих в расплаве, содержащем примеси, связано с тем, что растущая ветвь дендрита отталкивает атомы примеси так же, как и плоский фронт кристаллизации. Скопление примесей и концентрационное переохлаждение приводят к образованию ячеек на ветвях дендритов. С увеличением переохлаждения размеры дендритов и их разветвленность возрастают. [c.445]

Так как скорость продвижения поверхности раздела уменьшается со временем X = V — 1 /2Х, где Z — среднее положение поверхности раздела, а — константа, равная 0,41/ а ), средняя концентрация примеси у поверхности раздела постоянна при неизменной морфологии поверхности раздела, и распределение равновесной температуры и действительной температуры в системе изменяется в зависимости от положения поверхности раздела X, как на фиг. 43. Было показано, что в зависимости от условий разливки в расплаве перед фронтом кристаллизации более или менее быстро возникает зона концентрационного переохлаждения, в которой могут образовываться новые центры кристаллизации. Максимальное переохлаждение 5макс при этом не зависит от времени, при условии, что форма поверхности раздела не изменяется, но объем переохлажденной зоны увеличивается с увеличением X. Поскольку V уменьшается со временем, число центров кристаллизации iV, образующихся в единице объема, возрастает при увеличении X следующим образом [20J [c.215]

Движущей силой процессов кристаллизации из жидкой фазы является разница свободных энергий фаз, которая увеличивается с ростом переохлаждения. Особенность роста из раствора или раствора-расплава - необходимое концентрационное переохлаждение, а следовательно, высокая степень зависимости от диффузии, лийитирующей процесс на межфазной границе. Особенно это значимо при выращивании многокомпонентных монокристаллов сложных соединений. [c.311]

При кристаллизации из расплава монокристалл растет за счет движения расплавленного образца вдоль высокого градиента температур направленнаЛ кристаллизация, способ Бриджмена) или непрерывного охлаждения затравки (способ Киропулоса). При кристаллизации из раствора понижается температура раствора для создания на фронте кристаллизации (фазовой границе) необходимого концентрационного переохлаждения. [c.312]

При затвердевании расплавов, имеющих интервал кристаллизации, образуется зона двухфазного состояния, в пределах которой возникают зародыши твердой фазы, окруженные расплавом металла. Эта зона примыкает к границе затвердевшей части расплава и существенно влияет на интенсивность теплопередачи от внутреннего объема перегретого металла к фронту его кристаллизации. Присутствующие в расплаве частицы твердой фазы окружены тонким слоем ликватов и различных несовершенств жидкого состояния, которые обычно наблюдаются в объемах концентрационного переохлаждения на границе затвердевания. Однако все твердые зародыши кристаллизации в обычных условиях затвердевания не попадают во внутренние объемы затвердевающего слитка, а сосредоточены в зонах двухфазного состояния. [c.41]

В случае больших степеней переохлаждения возникающие в чистых металлах кристаллы растут, не имея правильной кристаллографической огранки и приобретают разветвленную, дендритную форму. При кристаллизации сплавов в условиях возникновения концентрационного переохлаждения структура фронта кристаллизации может носить ячеистый или дендритный характер. При дендритном характере кристаллизации в местах стыков ветвей и соприкосновения растущих соседних дендри-тов, т. е. на границах образующихся зерен, как правило, скапливаются всякого рода примеси. В тех местах, где застывали последние участки жидкого металла, т. е. в междуосных пространствах и на границах соседних дендритов, обыкновенно образуются еще микроскопические усадочные раковины, или поры. Эти микроскопические поры и места скопления примеси — нежелательные последствия дендритного характера кристаллизации, так как могут привести к значительному понижению механической прочности металла. Введение ультразвука изменяет степень переохлаждения расплава и форму фронта кристаллизации, что затрудняет развитие дендритной структуры. [c.435]

Повышение уровня концентрационного переохлаждения стимулирует прорастание в глубь расплава, что, в свою очередь, способствует развитию дендритной ликвации элементов, снижаюш их температуру плавления сплава [49, 128, 144, 198]. [c.17]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...