2800

,

Рис. 2.3. Схема распределения температур в последовательно криcталлизующемся сплаве (а); строение области затвердевания (б).

Этот параметр меняется по величине в процессе кристаллизации в зависимости от крутизны линий ликвидуса и солидуса. Вне переходной зоны P / T 0 , внутри области затвердевания производная P / T отрицательна. При кристаллизации чистых металлов и эвтектик температура в пределах области затвердевания практически постоянна, поэтому P / T и расчет процесса кристаллизации по уравнению (2.12) становится невозможным. Для случая кристаллизацйии без переохлаждения удается рассчитать

К/с; Uкр = P / ; С –1 время кристаллизации в локальной узкой области (близкой к точке) ,с. Однако при этом предполагается, что процесс кристаллизации является квазистационарным, т.е. диффузия в твердой фазе очень мала, изменение температурного поля внутри и вблизи двухфазной области за время затвердевания незначительно и им можно пренебречь .При этих условиях в области затвердевания должно выполняться уравнение теплового баланса

21

Тну и Тв- характеризуют образование связанного кристаллического каркаса, рис. 2.4, а.

Рис. 2.4. Температурные границы области затвердевания сплавов (а); характеристика состояний металлической системы (б)

Для устранения кажущегося противоречия в определении этих температурных границ предложено /8/ более деталь

ное рассмотрение строения области двухфазного состояния кристаллизующихся сплавов, основанное на особенностях структуры жидких сплавов в предкристаллизационный период. Допускается, что в прилегающей к ликвидусу области незначительно перегретого расплава существует область квазидвухфазного состояния, в пределах которой условно можно выделить квазисуспензию, содержащую отдельные кристаллоподобные образования и их скопления, неметаллические включения; дисперсные частицы другой природы. В области ЖТ-состояния находится суспензия, в которой частицы твердой фазы полностью разделены; по свойствам она подобна упруговязкопластичному телу. Для ТЖ-состояния характерна капил- лярно-пористая структура; поры заполнены квазисуспензией, рис. 2.4,6. Между ЖТ- и ТЖ-состояниями должна

23

располагаться переходная область, по структуре подобная пастообразному состоянию (гелю), границами этой области являются температуры Tb и Тну. При таком строении двухфазной области способность металла сохранять жидкотекучесть будет определятся температурой Тв, способность к образованию выраженного кристаллического каркаса - температурой Тну.

2.4. Поверхность раздела между жидкой и твердой фазами

Отвод теплоты от расплава формой является нестационарным тепловым процессом, при котором температура отдельных точек в системе отливка-форма изменяется во времени. Следовательно, изменяется теплосодержание тела, в зависимости от конкретных условий наблюдается многообразие морфологических форм затвердевания. Раз

личие форм обусловлено прежде всего природой основного металла, степенью его чистоты, природой и концентра цией легирующих компонентов сплава, предкристаллизационным состоянием расплава, тепло-физическими свойствами жидкого металла формы и другими технологическими факторами. Все многообразие форм и взаимных ориентации кристаллитов можно свести к некоторым морфологическим схемам затвердевания, рис. 2.5, характеризующим различную способность питания и движения жидкого металла в затвердевающем металле /9/. Если границей раздела между твердой и жидкой фазами считать поверхность, которая отделяет атомы, расположенные в узлах решетки, от всех остальных: атомов, то такая граница должна быть атомногладкой, рис. 2.6, а, или шерохова-

той, рис. 2.6,б /10/.

24

Теория и эксперимент показывают, что реализуется тот вариант границы, который выгоден для данного металла и кристаллогеометрии поверхности. Теория огрубленной поверхности раздела рассмотрена многими исследователями, однако по отношению к кристаллу, находящемуся в контакте с собственным расплавом наиболее приемлемым является подход, предполагающий, что поверхностная структура должна находиться в равновесии как с кристаллом, так и с расплавом

Рис. 2.5. Морфологические схемы затвердевания сплавов и фронта затвердевания: а и д - плоский фронт затвердевания, б - шероховатый; в, г - направленное затвердевание – ЖТ состояния; е, ж- кашеобразное состояние; з - суспенсия с низким содержанием твердой фазы.

25

состояния (для превращения Ж Т ею можно пренебречь), Уравнение (2.15 сводится к виду

где (α=ΔНПЛ/К ТЕ - коэффициент, зависящий от кристаллогеометрии поверхности раздела.

Графическая интерпретация уравнения (2.16) дана на рис. 2.7 /11/. При (α<2 функция Fs/(N.K-TE) имеет минимум, соответствующий отношению NА/N-0,5. Из этого можно заключить, что выигрыш в свободной энергии достигается в случав, когда на поверхности раздела заполнена половина всех возможных позиций. Следовательно, поверхность границы между твердым и жидким металлом вследствие затвердевания непрерывно образующихся атомных скоплений будет шероховатой; поверхность раздела не имеет явно выраженной кристаллографической огранки.

27

Представляет интерес рассмотреть влияние твердых и жидких включений в расплаве на морфологию фронта кристаллизации. В работе /12/ в качестве расплава были выбраны сукцинонитрил,

камфен и циклогексанол, которые кристаллизуются по нормальному закону /13/; в качестве нерастворимых твердых включений - частицы ликоподия размером R - 15 мкм. частицы никеля R (5 - 100 мкм), в качестве растворимых примесей - один на модельных составов, в качестве жидких включений - капли ртути, галлия.

Воздействие твердых нерастворимых частиц на морфологию фронта кристаллизации зависит от скорости роста (переохлаждения) к размеров частиц. Скорость роста Uкр определяется уравнением /13/

где σп - поверхностная энергия; В - константа расклинивающего давления, при котором частица отталкивается фронтом кристаллизации; ή - динамическая вязкость расплава.

При R I мкм малой скорости движения фронта кристаллизации (U I мкм/с) и U <Uкр частицы отталкиваются фронтом; существенных изменений в структуре при этом не происходит. При U> Uкр плоский фронт захватывает частицы, в результате чего деформируется; в процессе продвижения в глубь расплава фронт становится шероховатым, а затем вновь плоским. Об этом свидетельствуют снимки, рис. 2.8, сделанные в последовательные моменты времени с помощью микрокиносъемки /12/.

29