V.M/C

Рис. 21. Зависимость условной скорости зарождения центров кристаллизации от скорости затвердевания слитков.

195 °С при скорости охлаждения 3 X х 10* °С/с. На сплаве AI — 3,5 % Мп в случае скорости охлаждения 3 X X 108 °С/с переохлаждение может достигать 300 °С. Переохлаждение при сравнительно небольших скоростях охлаждения составляет всего лишь несколько градусов -

На рис. 21 показана зависимость скорости возникновения центров кристаллизации от скорости кристаллизации. Изменение угла наклона прямой при переходе от чистого алюминия к эвтектическому сплаву алюминия с кремнием свидетельствует об изменении межфазного натяжения на границе расплав — подложка.

Чем меньше нарушений взаимной координации атомов при переходе из твердого состояния в жидкое, тем меньше коэффициент межфазного натяжения на границе зародыш — расплав. В связи с этим уменьшается работа образования центров кристаллизации и появление этих центров происходит при меньших переохлаждениях.

Зависимость скорости кристаллизации от переохлаждения ДГ установлена еще Тамманом в начале нашего столетия. Были попытки отрицать ведущую роль величины АГ и приписывать ее скорости охлаждения dTldx. Утверждали, что переохлаждение не является первичным, а само по себе зависит от скорости охлаждения.

Для образования АГ необходимо, чтобы dTT/ch было больше dTjd%, при равенстве этих величин переохлаждение не существует. В слитке величина dTjdT очень быстро снижается, из-за отсутствия непрерывного поступления тепла. При образовании металла шва отношение dTjdi периодически изменяется от нуля ло максимума в каждом слое. В условиях кристаллизации металла шва значение АГ может быть неизменным как при большой, так и при малой скорости охлаждения.

Влияние уровня переохлаждения на зарождение центров рассматривают для следующих условий: «гомогенное» образование и «гетерогенное». Первое требует наличия значительно большей величины переохлаждения. На рис. 22 показана зависимость числа образующихся центров кристаллизации п от величины ДГ^ Здесь ДГ'— уровень переохлаждения, в пределах которого данная жидкая фаза находится в метастабильном состоянии при температуре ниже температуры плавления соответствующей твердой фазы. При переходе через эту границу раствор в термодинамическом смысле становится неустойчивым. Определенное влияние на значение ДГ' оказывает наличие посторон-

Рис. 22. Зависимость скорости зарождения центров кристаллизации от степени переохлаждения расплава.

них частиц в переохлажденной жидкости. Процесс появления кристаллических зародышей на поверхности посторонних частиц подчиняется общим закономерностям. Однако наличие этих примесей смещает границу начала возникновения центров кристаллизации в область меньших переохлаждений.

Разграничивают переохлаждение, необходимое для зарождения центров, и требуемое для роста кристаллов, при этом первая величина должна быть намного больше, чем вторая. Различают переохлаждение термическое (кинетическое) и концентрационное (конституционное, диффузионное). Величина ДГ является ведущей в процессе кристаллизации и определяет многие его стороны: размеры и число зародышей (центров) кристаллизации, скорость их роста и др.

Если в отношении числа центров крисгаллизации и скорости кристаллизации имеются убедительные доказательства приоритетного влияния термического переохлаждения, то все же остается неясным, как сказывается здесь конституционное переохлаждение. По данным [10?, рост скорости охлаждения расплава приводит лишь к увеличению зоны столбчатых кристаллов, так как вызывает сокращение области переохлажденного расплава и, следовательно, затрудняет образование перед фронтом свободных кристаллов, что способствует остановке транскристаллизации на более позднем этапе. Измельчение зерна в центральной зоне при увеличении скорости охлаждения не происходит, так как число свободных кристаллов, как и число столбчатых, зависит только от количества активной нерастворимой примеси, повышающей скорость зарождения центров кристаллизации.

Для объяснения перехода одной формы кристаллизации в другую обычно исходили из понятия о так называемом концентрационном переохлаждении. В настоящее время в литературе получает признание другое— понятие — концентрационная депрессия переохлаждения. По представлениям, развитым А. Оно [11], при накоплении примесей перед фронтом кристаллизации образуется не концентрационное переохлаждение, а наоборот, депрессия термического переохлаждения.

Понятие о концентрационной депрессии переохлаждения вносит ясность во взаимосвязь между «термическим» и «концентрационным» переохлаждением. Рассмотрим, как создается концентрационная депрессия переохлаждения на примере бинарного сплава А1—П, где

Таблица 18. Равновесные коэффициенты распределения примесей в алюминии