Концентрационное переохлаждени

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]

Тип первичной микроструктуры сплава зависит от формы роста кристаллов, определяемой видом фронта кристаллизации и характером концентрационного переохлаждения перед этим фронтом. [c.444]

При средней протяженности зоны концентрационного переохлаждения 62, когда Ф2 A o/k, образуется ячеисто-дендритная [c.444]

Анализ процесса кристаллизации сварного шва, его макроструктуры позволяет установить направление роста, форму и характер смыкания кристаллитов в шве. Оценка параметров концентрационного переохлаждения, распределений температурных градиентов и скорости кристаллизации в различных зонах шва необходимы для определения типа образующейся первичной структуры. [c.447]

На тип структуры шва большое влияние оказывает концентрационное переохлаждение. Это влияние можно оценить, рассматривая длину зоны переохлаждения Ь, максимальное переохлаждение АГтах и расстояние т от фронта кристаллизации [c.453]

При малом Ь,т = 0 и Со -> О, т. е. при кристаллизации почти чистых металлов в отсутствие концентрационного переохлаждения происходит плоская кристаллизация. Криволинейные очертания межфазной границы в сварочной ванне сглаживаются, так как выступающие зоны попадают в область более высоких температур и скорость их кристаллизации уменьшается. Структура получается столбчатой. Такой тип структуры существует вблизи зоны сплавления, так как здесь концентрационное переохлаждение равно нулю. [c.454]

В случае значительного концентрационного переохлаждения (большие значения Со, т, Ь) для роста выступов фронта кристаллизации в ванне создаются благоприятные условия. [c.454]

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]

Обобщенная зависимость типа структуры от содержания примеси С и значения критерия концентрационного переохлаждения Ф представлена на рис. 12.22. [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]

Применение облицовок форм, содержащих теллур, алюминий, титан и другие металлы, которые в массивных узлах и в местах теплоизоляционных вставок диффундируют в металл и увеличивают количество центров кристаллизации и концентрационное переохлаждение, приводит к выравниванию скорости кристаллизации и структурной неоднородности. [c.83]

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]

Получение направленной структуры требует задания определенного градиента температуры у фронта затвердевания, обеспечивающего динамическую устойчивость поверхности раздела твердой и жидкой фаз. Плоский фронт кристаллизации устойчив при отсутствии концентрационного переохлаждения, что определяется условием [c.417]

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]

Как уже отмечалось, характер кристаллизации зависит в основном от двух причин скорости затвердевания и величины концентрационного переохлаждения. Скорость роста твердой фазы определяется интенсивностью отвода скрытой теплоты кристаллизации. Для непрерывного роста твердой фазы необходимо отводить скрытую теплоту затвердевания от межфазной границы. [c.101]

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]

Для микроструктур паяных соединений характерно наличие участка плоского фронта, отвечающего начальной стадии кристаллизации. По мере развития у фронта кристаллизации концентрационного переохлаждения возникают отдельные ячейки. При дальнейшем снижении температуры благоприятно ориентированные ячейки приобретают способность к росту и перерастают в дендриты. [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]

Фиг. 20. Схема, иллюстрирующая характер изменения морфологии поверхности раздела при затвердевании свинца и олова в зависимости от степени концентрационного переохлаждения, которое существовало бы перед плоской поверхностью раздела [21].

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]

Концентрационное переохлаждение 4 характеризуется протяженностью зоны Ь, максимальным значением АГтах и расстоянием т от фронта кристаллизации до участка максимального переохлаждения и возрастает с понижением градиента фактических температур grad Гф = дТф/дх, а также с увеличением концентрации примеси перед фронтом кристаллизации. Концентрация примеси будет возрастать с увеличением скорости кристаллизации. Таким образом, в случае сварки концентрационное переохлаждение метал- ионного переохлаждения (/ -ла шва определяется режимом твердая фаза, II — расплав) [c.443]

Рассмотрим три возможных случая кристаллизации сплава при различной протяженности зоны концентрационного переохлаждения bi, 62 и Ьз (рис. 12.11), вызванной различными распределениями температуры в жидкой фазе Гфь Тф% Тфз (критерии концентрационного переохлаждения соответственно Ф , Фг, Фз). Условием, определяющим характер роста кристалла и формирование первичной структуры, будет соотнощение двух параметров Ф и A olk (Л — экспериментально определяемая постоянная для данного Со, зависящая от теплофизических свойств А — коэффициент распределения). При малой протяженности зоны концентрационного переохлаждения Ь Ф > [c.444]

Рис. 12.11. Влияние градиента температуры перед фронтом кристалли-зации на концентрационное переохлаждение

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]

Под влиянием конкретных тепловых и кинетических условий кристаллизации металла шва, химического состава сплава, градиента температур, скоростей сварки и кристаллизации в различных зонах шва возможно образование разной первичной структуры — столбчатой, полиэдрической. Столбчатая и полиэдрическая структура, в свою очередь, могут быть ячеистыми, ячеисто-дендритными, дендритными. Все эти структуры в шве можно не только получить, но и управлять их развитием, изменяя условия роста, как это следует из теории концентрационного переохлаждения. Такие параметры роста кристалла, как скорость кристаллизации Укр и градиент температур в жидкой фазе grad 7ф, оказывающий наиболее существенное влияние на образующуюся структуру, можно рационально подбирать и изменять при сварке. Температурный градиент в жидкости может быть повышен увеличением тепловой мощности дуги путем повышения напряжения или силы тока или может быть понижен путем предварительного подогрева. Скорость кристаллизации можно регулировать изменением скорости сварки. [c.453]

При небольшом концентрационном переохлаждении (малых Со, т, Ь) и большом grad получается ячеистая структура. [c.454]

Межкристаллитная, или межзе-ренная, ликвация характеризуется скоплением примеси у межзеренных границ и проявляется в случае концентрационного переохлаждения. [c.465]

Роет зародышей кристаллизации связан с концентрационным переохлаждением. Оно развивается только в сплавах или в сильно загрязненных металлах. Расплав кристаллизуется в некотором интервале температур, а легирующие элементы или примеси снижают температуру ликвидуса Они накапливаются перед фронтом кристаллизации и снижают температуру ликвидуса еще в большей степени (рие. 3.1). Этот эффект повышается е увеличением скорости кристаллизации. Благоприятные условия в этом отношении создаются при электрошла-ковой сварке (малые температурные градиенты) и при контактной точечной сварке (высокая скорость кристаллизации). Б соответствии с объемным распределением градиентов температур и скоростей кристаллизации в сварном шве непрерывно возрастает концентрационное переохлаждение от границы сплавления к середине шва, В этой зоне возникает наибольшая вероятность образования зародышей кристаллизации, в результате чего при определенных условиях в середине сварного шва веледетвие концентрационного переохлаждения может возникнуть второй фронт кристаллизации, [c.30]

Концентрационное переохлаждение играет также определенную роль при образовании крисгаллов на первом фронте кристаллизации. Чистые металлы образуют (особенно при большой скорости затвердевания и малых температурных градиентах) кристаллы, которые с боковой поверхности ограничены сравнительно плоскими поверхностями. Такой рост кристаллов называется ячеистым (фото 3.4). Напротив, при малых скоростях охлаждения и больших температурных градиентах, а таюке при повышенном содержании ликвирующих примесей граничные поверхности кристаллов отличаются значительными неровностями рост кристаллитов приобретаег дендритный характер. [c.31]

Вершины растущих крисгал-литов прорастают в зону концентрационного переохлаждения. Направления предпочтительной ориентации бокового роста обусловливают разветвление дендритов в соответствии с указанным выше механизмом (фото 3.5). [c.31]

Если кристалл ориегггироваи параллельно направлению теплоотвода, то дендрит растет на ием наиболее быстро. Другие дендриты изменяют ориентацию в процессе роста и разветвляются. Чем мельче структура основного металла на границе сплавления, тем большее число кристаллов имеет благоприятную ориентацию и тем больше избранных дендритов образуется в металле шва. В сплавах возможно образование второго фронта кристаллизации в результате концентрационного переохлаждения. Металл пша, затвердевающий в последнюю очередь, имеет равноосную, разориентированную структуру. [c.75]

Вопросы напрвленной кристаллизации для сплавов вольфрама пока не получили достаточного развития. Общим для изучаемых систем является то, что эвтектическое затвердевание весьма чувствительно к величине градиента температуры, концентрационному переохлаждению, скорости кристаллизации. Продольная микроструктура доэвтектического сплава вольфрама [1,6 % (масс.) С] состоит из переплетающихся вольфрамовых и карбидных W -волокон, вытянутых в направлении теплоотвода. При приближении состава сплавов к эвтектическому наблюдается более четко выраженный направленный рост кристаллов W и W . Для заэвтектических сплавов [2,5...2,8 % (масс.) С] получение направленной структуры затруднено. Интересно отметить образование спиралевидной эвтектики при малых скоростях вытягивания слитка. [c.227]

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]

Здесь G — KxGl + KsGs)/(Kl + Ks), где К — теплопроводность. Уравнение (26) очень сходно с уравнением (25) и говорит о том, что при рассмотрении возрастания возмущения (в отсутствие эффектов капиллярности) необходимо в уравнении для концентрационного переохлаждения использовать смешанный температурный градиент. Если учитывать эффекты капиллярности, то получается, что при одной из длин волн амплитуда растет быстрее, чем в случае всех остальных длин волн, и что для стабилизации этого возмущения требуется меньшее значение (т, чем -ЭТО следует из уравнения (26). [c.186]

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]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...