Теория затвердевания

Чалмерс Б.

Металлургия, 1968 г.

ЗАРОДЫШЕОБРАЗОВАНИЕ

МЕТАСТАБИЛЬНОСТЬ ПЕРЕОХЛАЖДЕННЫХ ЖИДКОСТЕЙ .

В приведенных выше рассуждениях об условиях равновесия (гл. 1) и атомном механизме затвердевания (гл. 2) предполагается, что температура жидкости не может опускаться ниже, а температура твердого тела подниматься выше температуры плавления, если не считать некоторой разности температур, необходимой для того, чтобы создать движущую силу процесса роста или плавления. В случае металлов и многих других веществ эта разность довольно мала. Нетрудно, однако, показать экспериментально, что в действительности жидкость может долгое время существовать при температуре гораздо более низкой, чем температура плавления. Расплавленный никель, например, при соответствующих условиях можно охладить на 250° С ниже его равновесной температуры и сохранять в этом интервале температур в виде жидкости неограниченное время. Необходимое для этого условие — отсутствие твердой фазы. Для понимания метастабильности переохлажденной жидкости необходимо рассмотреть начальные стадии образования кристалла.

При любой температуре ниже равновесной свободная энергия твердой фазы меньше, чем жидкой. Это следует из термодинамического определения равновесия. Поэтому переход из жидкого состояния в твердое может протекать самопроизвольно. Почему же тем не менее переохлажденная жидкость не превращается в твердую фазу самопроизвольно? Как показано в гл. 2, такое превращение происходит при росте кристаллов. При возникновении твердой фазы в расплаве на начальных стадиях должны образовываться чрезвычайно маленькие кристаллики. По своей устойчивости очень малый кристалл отличается от крупного, поскольку условия равновесия между твердой и жидкой фазами на искривленной поверхности раздела иные, чем на плоской, взятой нами за основу при рассмотрении процессов затвердевания в гл. 1 и 2.

ТЕРМИЧЕСКИЕ НАПРЯЖЕНИЯ В ЗАТВЕРДЕВАЮЩЕМ ТЕЛЕ

Одно из последствий макроскопического потока тепла, наблюдаемого при затвердевании,— температурные градиенты в затвердевающем металле. В сокращающемся по объему остывающем металле они могут привести к возникновению термических напряжений в уже затвердевшем металле. В общем виде термические напряжения были рассмотрены Боли с Вейнером [21], которые проанализировали, как и в работе [22], важный практический случай термических напряжений, возникающих при затвердевании металла в виде квадратного сечения. При этом предполагалось, что металл обладает абсолютной упругостью вплоть до напряжения, вызывающего, текучесть. В отношении последнего считалось, что оно равно нулю при температуре плавления и линейно возрастает с понижением температуры. Кроме того, предполагалось, что металл является абсолютно пластичным, т. е. деформирующимся при напряжении текучести без всякого деформационного упрочнения (без наклепа). Тепловые характеристики в изложнице считались подчиняющимися нейманновскому распределению температур, которые рассматривались Карслоу и Егером в работе [23]. Вейнер и Боли рисуют следующую картину возникновения напряжений во всякой частице затвердевающего металла. Сразу же после затвердевания металл претерпевает деформацию под действием растягивающего напряжения в плоскости фронта затвердевания, если предполагается, что предел текучести имеет конечную величину. По мере остывания металла возрастает предел текучести, но то же самое относится и к сопротивлению растяжению, так что пластическое деформирование продолжается. Этот процесс приостанавливается, когда величина предела текучести превысит, максимальное напряжение, возникшее в металле, после чего металл ведет себя как упругое тело. Затем величина действующего на частицу растягивающего напряжения убывает, сходит на нет и превращается в сжимающее напряжение, которое достигает в конечном итоге достаточно большой величины, чтобы вызвать текучесть при сжатии, продолжающемся до тех пор, пока дальнейший анализ не утратит всякий смысл.

Подробности анализа, приводящего к довольно удивительным результатам, и данные о численных значениях величин, предсказываемые теорией, читатель найдет в оригинальной статье Вейнера и Боли. Рассматривавшиеся выше термические напряжения возникают в результате нелинейности температурных градиентов в твердом теле, существующих вследствие переходного характера процесса. Они никак не связаны с тепловыми характеристиками изложницы, если не считать того, что она определяет скорость остывания. Однако встречаются и такие важные случаи, когда напряжения возникают вследствие неодинаковости тепловых коэффициентов расширения затвердевающего металла и материала изложницы, с которым он соприкасается. Примером подобного рода могут служить сильные напряжения, возникающие в сварном шве между двумя металлическими пластинками, схематически показанными на рис. 185, где расплавленный металл заполняет канавку АВ между двумя пластинками Я и Q. Если пластины предварительно не нагреть, то наплавленный залик после затвердевания сжимается гораздо сильнее, чем пластины, вследствие чего в шве поблизости от него возникают сильные напряжения. Последние снимаются при пластическом деформировании, но могут часто приводить и к растрескиванию.