Особенности процесса кристаллизации

1. Образование кристаллитов в расплаве идет одновременно из многих центров. Скорость образования центров кристаллизации и скорость роста кристаллов зависят от степени переохлаждения расплава, т.е. от разности между температурой плавления и фактической температурой кристаллизации.

2. Кристаллографические оси в различных центрах кристаллизации ориентированы случайным образом.

5.4

3. При кристаллизации расплава, содержащего такие примеси, как углерод, сера, фосфор, марганец, кремний и легирующие добавки хрома, никеля, титана, вольфрама, ванадия, их распределение происходит неравномерно: на границах кристаллитов примесей и легирующих добавок, как правило, значительно больше, чем в объеме. После затвердевания расплава образуется поликристаллическое тело. Структура литого металла (слитка) получается неоднородной. Например, при кристаллизации стального слитка вначале появляются мелкие кристаллиты глобулярной формы (рис. 5.4). Когда изложница нагреется, скорость образования зародышей уменьшится, а отвод тепла станет направленным, начнут формироваться кристаллиты удлиненной формы. При кристаллизации средней части слитка число центров кристаллизации резко уменьшается и кристаллиты могут вырастать до огромных размеров. В связи с особенностями теплоотвода кристаллизация идет интенсивно по всем направлениям. Как следствие образуются так называемые дендриты. В процессе кристаллизации атомы примесей и легирующих элементов оттесняются в расплав. Содержание инородных атомов в расплаве непрерывно увеличивается, что приводит к ликвации. Наиболее сильно ликвируют углерод, сера, фосфор, вольфрам, ванадий (рис. 5.4). При кристаллизации удельный объем металла уменьшается. Это связано с тем, что в твердом теле упаковка атомов наиболее плотная. Например, при кристаллизации стали удельный объем уменьшается на 3...4%. Кристаллизация начинается с поверхности. Из-за этого уменьшение удельного объема неизбежно приводит к образованию усадочной раковины и пустот усадочного происхождения.

Снижение температуры приводит к уменьшению растворимости примесей и легирующих элементов. Поэтому при кристаллизации и последующем охлаждении сплава до комнатной температуры на границах зерен выделяется еще одна фаза, например углерод в виде цементита (если содержание углерода в стали превышает 0,8%). Из-за этого многие стали и сплавы цветных металлов состоят из двух и более фаз. В большинстве случаев свойства фаз сильно различаются. Дендритная зона – зона крупных, равноосных металлов. Кристаллизация металлов сопровождается образованием большого количества разнообразных дефектов не только в пределах слитка, но и в пределах монокристальных зерен, образующих слиток. Несовершенства кристаллической решетки зерен оказывают исключительно большое влияние на свойства литых металлов и механизм их пластической деформации.