Формирование структур литых материалов. Литейные технологии

Расплав чистого металла при охлаждении ниже равновесной температуры плавления (затвердевания) Т_пл . кристаллизуется, т.е. затвердевает с образованием кристаллической структуры.

Процесс кристаллизации вызван стремлением системы к минимуму свободной энергии. Термодинамический потенциал, характеризующий свободную энергию, при Т<Т_пл у твердой фазы меньше, чем у жидкой.

Для развития кристаллизации необходимо переохлаждение металла ниже температуры плавления DТ.

Снижение свободной энергии системы при переохлаждении DТ, равное DG_v= G_ж - G_тв,является термодинамическим стимулом – движущей силой процесса кристаллизации. Чем сильнее переохлаждении и, следовательно, больше DG_v, тем активнее идет процесс кристаллизации.

Кристаллизация сплава начинается ниже температуры ликвидусаТ_L.

При фазовом переходе ж«тв выделяется тепло кристаллизации, которое полностью или частично компенсирует теплоотвод при охлаждении. Соответственно, кристаллизация чистых металлов происходит при постоянной температуре, а образование твердых растворов у сплавов замедляет скорость снижения температуры, что отражается на кривой охлаждения в виде перегиба. Изменения наклона кривой охлаждения вледствие фазовых переходов являются основой термографического анализа кристаллизации.

Кристаллизация происходит путем образования в жидкости центров кристаллизации (зародышей) и дальнейшего роста тех зародышей, которые имеют размеры больше критических: R_кр= , где s - поверхностное натяжение на границе раздела жидкость – твердая фаза, Т_пл и Q_пл − температура и теплота плавления, DТ − переохлаждение..

Более мелкие зародыши неустойчивы, они растворяются в жидкой фазе.

Критический размер зародыша обратно пропорционален переохлаждению DТ, т.е. чем сильнее переохлаждение, тем более мелкие зародыши становятся способны к росту. Следовательно, при более глубоком переохлаждении жизнеспособных зародышей становится больше, из каждого образуется кристаллит или зерно. В результате затвердевший при большем переохлаждении сплав имеет мелкозернистую структуру, которая характеризуется лучшими механическими свойствами.

Самопроизвольное (гомогенное) образованиезародыша происходит только в очень чистых однородных веществах. В расплавах реальных сплавов всегда присутствуют случайные мелкие твердые частицы, некоторые из них даже при сравнительно небольшом переохлаждении могут служить готовыми зародышами кристаллизации. Таким образом в технических сплавах обычно происходит гетерогенное зарождение. Гетерогенным зарождением можно управлять, специально вводя в расплав определенное вещество – модификатор, а сам процесс обработки модификатором жидкого расплава непосредственно перед кристаллизацией называется модифицированием. Результатом модифицирования является множественное зарождение способных к росту центров кристаллизации, а, следовательно, образуется мелкозернистая структура затвердевшего сплава.