Физико-химические и металлургические основы производства конструкционных металлов. (Конспект лекций)

Кабацкий В.И. ( сост. )

Краматорск, 2007 г.

Влияние примесей. Модифицированиеметалла Самопроизвольное зарождение кристаллов в жидком металле весьма затруднительно и наблюдается в металлах высокой чистоты. В технически чистых металлах энергетически более выгодно возникновение зародышей твердой фазы преимущественно на готовых межфазных поверхностях. Такими поверхностями могут быть поверхности твердых частиц ( оксидов, карбидов, нитридов и др. ), всегда присутствующих в технических расплавах. Кристаллизацию на базе твердых частиц примесей, служащих готовыми центрами кристаллизации называется гетерогенной, в отличие от самопроизвольной кристаллизации, которая называется гомогенной. При этом на готовой поверхности возникает плоский зародыш кристалла, в отличие от объемного, возникающего при спонтанной кристаллизации. Такой зародыш имеет меньшую поверхность раздела, поэтому для образования плоского зародыша критических размеров, необходимо меньшее переохлаждение и меньшая флуктуация энергии. Чтобы примесь служила готовым центром кристаллизации, она должна быть изоморфна металлу, т. е. иметь одинаковую с металлом кристаллическую решетку и параметры, отличающиеся не более чем на 9-15 %. Чем больше в кристаллизующемся металле примесей, служащих готовыми центрами кристаллизации, тем мельче зерно металла. Растворимые в жидком металлепримеси также могут измельчать зерно и изменять его форму. В этом случае при кристаллизациипримеси осаждаются в виде тонкого слоя на поверхности растущего кристалла, уменьшая поверхностную энергию. Такие примеси называются поверхностно - активными. При сваркеплавлением готовой межфазной поверхностью являются оплавленные зерна основного металла, на которых как на своеобразной прокладке начинают расти первичные кристаллы сварного шва. Растут кристаллы нормально поверхностиохлаждения к центру шва. При этом только в центральной части сварочной ванны возможна гомогенная кристаллизация. В результате образуется столбчатая крупнокристаллическая первичная структура метала шва. Первичную структуру сварного шва можно регулировать, используя различные металлургические и технологические приемы. Достаточно широкое применение для измельчения конечной структурыметалла ( в том числе и сварных швов ) имеет введение в расплавленный металл (сплав ) небольших количеств специальных веществ, которые называются модификаторами. Модификаторы, практически не изменяя химического состава металла, вызывают при кристаллизацииизмельчение зерна и улучшение механических свойств. Модификаторы бывают двух видов : 1- тугоплавкие примеси, служащие готовыми центрами кристаллизации (модификаторы первого рода ); 2- растворимые примеси, поверхностно-активные, замедляющие рост кристаллов (модификаторы второго рода ). 3.6 Кристаллизациясплавов Металлические сплавы, которые являются гетерогенными системами, состоящими, как правило, из смешанных многокомпонентных фаз, имеют значительно более сложные фазовые переходы, чем в чистых металлах. В однокомпонентной металлической системе, как было показано ранее, равновесие фаз соответствует равенству их изобарныхпотенциалов ( ж G = ТВ G ). В этом случае для развития фазового превращения, например кристаллизации, необходимым условием является чтобы изобарныйпотенциал новой фазы (твердой) был меньше изобарного потенциала старой фазы (жидкой). В сплавахравновесие фаз достигается не при равенстве их изобарныхпотенциалов (так как величина потенциала является функцией состава фазы), а при равенстве производных от потенциала по концентрации, т.е. химических потенциалов компонентов. В том случае, когда химические потенциалыкомпонентов в существующих фазах не равны между собой, система находится в неравновесном состоянии и протекает фазовый переход. Переходсплава из жидкого состояния в твердое протекает, как и при кристаллизации чистых металлов, только при наличии некоторого переохлаждения в результате образования центров кристаллизации (зародышей) и последующего их роста. Однако в отличии от однокомпонентной системы, где фазовые переходы происходят без изменения химического состава фаз, при кристаллизациисплавов образующиеся твердые фазы, как правило, значительно отличаются по составу от исходного жидкого раствора. Поэтому для образования устойчивого зародыша новой фазы в сплавах кроме флуктуацииэнергии и структуры необходимы также флуктуации концентрации. Флуктуациями концентрации называются временно возникающие отклонения химического состава от среднего в отдельных малых объемах жидкого расплава. зародыш новой фазы может возникнуть только в тех микрообъемах исходной фазы, состав которых в результате флуктуацииконцентрации соответствует составу новой кристаллизующейся фазы. Если при этом концентрационные флуктуации имеют размер не меньше критического, возникает устойчивый зародыш, способный к росту. При кристаллизациисплавов на первый план выступают особенности, связанные с составом растущих кристаллов и окружающей жидкости, так как в соответствии с условиями фазовых переходов в многокомпонентных системах, составы фаз в общем случае не только не одинаковы, но каждая фаза меняет свой состав в процессе фазового перехода. Изменение составакристаллов и жидкости осуществляется за счет диффузионного массопереноса. Поэтому при кристаллизациисплавов существенное значение, наряду с переохлаждением имеет диффузия : разделительная ( между жидкой и твердой фазами ) и выравнивающая ( в объеме каждой фазы ). Ограниченность этих процессов в связи с конечными, сравнительно небольшими коэффициентами диффузии, вызывает значительные изменения в ходе кристаллизации и получающейся структуры. Рассмотрим процесскристаллизации наиболее простого двухкомпонентного сплава, с неограниченной растворимостьюкомпонентов в жидком и твердом состоянии, в котором находятся в равновесии две смешанные фазы: жидкий и твердый растворы. В соответствии с правилом фаз Гиббса числостепеней свободы такой системы в условияхкристаллизации составляет: С = 2