Материал: Теория литейных процессов

Кристалл, находящийся в равновесии с раствором или с расплавом, принимает такую огранку, при которой его поверхностная энергия имеет наименьшее значение:

4.Теорема Г. В. Вульфа или принцип Кюри - Вульфа

Минимум поверхностной энергии при данном объеме многогранника достигается при том взаимном расположении его граней, когда они удалены от одной и той же точки на расстояние, пропорциональное их капиллярным постоянным:

/71>п2> пз (рис. 9.14).

Рис. 9.14. Зависимость скорости роста

граней от поверхностной энергии

Из принципа Кюри - Вульфа получается весьма важное следствие:

1.Скорость роста граней пропорциональна я,- или от.

2.Каждая грань растет тем быстрее, чем больше ее поверхностная

энергия.

3.Быстрорастущая грань постепенно исчезает, остаются грани

медленнорастущие с малой поверхностной энергией.

4. Если все грани имеют совершенно одинаковую энергию, то кристалл будет иметь форму многогранника, описанного около шара.

9.7.Столбчатая (дендритная) кристаллизация

Вопрос о столбчатой кристаллизации сделался актуальным с того времени, когда начали отливать металл в изложницы. Столбчатая кристаллизация в металлургии является большим злом, с которым все время

ведется борьба. Те отливки, которые идут в дальнейшую обработку путем прокатки или проковки, не должны содержать столбчатых кристаллитов, так как при обработке таких отливок обычно появляются трещины в месте встречи этих кристаллитов.

В отливках из магнитных сплавов, предназначенных для постоянных магнитов без дальнейшей обработки, столбчатая кристаллизация весьма желательна. Например, кольцевые магниты для радиорепродукторов, изготовляемые из сплава «альни» (армко-железо - 57 %, никель - 24 %, алюминий - 15 % и медь - 4 %), имеют столбчатые кристаллиты по направлению радиусов колец.

Русский ученый Д. К. Чернов (1839-1921), основатель металлографии, показал, что затвердевание стали по направлению от охлаждающих стенок изложницы к центру болванки и при этом главные оси роста кристаллитов должны быть расположены нормально к охлаждающей поверхности, как изображено на рис. 9.15. В первый момент после заполнения изложницы расплавленным металлом имеет место резкий температурный скачок: от температуры жидкого металла к температуре холодной стенки. Затем стенка изложницы нагревается, расплавленный же металл охлаждается у стенки. Вследствие охлаждения в расплавленном металле возникают конвекционные потоки, которые перемещают расплав, выравнивают его температуру, и постепенно весь расплав охлаждается до температуры затвердевания. После этого появляются центры кристаллизации, начинается процесс кристаллизации у стенки изложницы. При кристаллизации выделяется теплота перехода из жидкого состояния в твердое (скрытая теплота кристаллизации). У стенки изложницы вследствие интенсивного охлаждения возникают многочисленные беспорядочно ориентированные центры кристаллизации, которые образуют сплошную твердую корку. Эти центры начинают расти внутрь расплава. Так как теплопроводность различна по различным направлениям, то очевидно, что из всех центров, появившихся около стенки изложницы, быстрее всего растут внутрь расплава те кристаллы, у которых направление наибольшей теплопроводности совпадает с наибольшим температурным градиентом, т. е. перпендикулярно к стенке. Эти кристаллиты опережают своих соседей, заглушают их рост и распространяются в расплав в виде столбцов, подобно тому, как быстро растущие деревья заглушают и прекращают рост медленно растущих. Получающаяся при этом картина схематически изображена на рис. 9.15.

По мере роста столбцов толщина закристаллизовавшегося слоя постепенно возрастает, температурный градиент перпендикулярно к стенкам изложницы падает и скорость роста уменьшается. Наличие примесей, частично остающихся между столбчатыми кристаллитами, а частично вытесняемых к центру изложницы, затрудняет рост кристаллитов. В результате оставшийся в середине изложницы жидкий сплав может настолько охладиться, что в нем сразу зарождаются много центров кристаллизации, и центральная часть слитка

превращается в более или менее крупнозернистый поликристалл с беспорядочной ориентацией кристаллитов. Зерна этой зоны обыкновенно имеют приблизительно одинаковые размеры по всем направлениям.

Рис. 9.15. Рост столбчатых кристаллов от стенки изложницы

Следовательно, в слитках и отливках можно отметить три зоны различий: первый наружный корковый слой, прилегающий непосредственно к стенкам изложницы, состоит из мелких, беспорядочно ориентированных

кристаллитов. Толщина этого слоя небольшая; второй слой состоит из крупных столбчатых кристаллитов, имеющих

определенную ориентацию относительно стенки изложницы. Определенные грани кристаллитов перпендикулярны к стенке по направлению максимального температурного градиента. Расположение этих граней по азимуту может быть различным, т. е. определенные грани только совпадают с направлением нормали к стенке, но могут занимать различные положения по азимуту относительно этой нормали, которая является как бы осью поворота данной грани. Слой столбчатых кристаллов занимает иногда всю толщу слитка, пронизывая его до центра;

третий центральный слой слитка состоит из более или менее крупных изомерных, т. е. имеющих приблизительно одинаковые по всем направлениям размеры, кристаллитов, которые ориентированы беспорядочно.

Рассмотрим теперь теоретическую сторону явления столбчатой кристаллизации.

Возьмем грань кристалла с площадью S (рис. 9.16), проведем ось х

толщиной dx, причем dx = V • dr. Обозначим через q теплоту кристаллизации, а через р - плотность кристалла.

За время dr из жидкого состояния при температуре кристаллизации