Совместное рассмотрение рис. 63 и формулы (V. 10), которая в случае искривленной поверхности раздела будет являться приближенной, свидетельствует о правильности предыдущего вывода.

Рис. 63. Схема образования за- Большую вероятность обра-родыша кристалла иа поверхно- зования зародыша в гетероген-сти твердого тела.ной системе обычно связывают

с уменьшением работы, необходимой для его образования. Однако в случае образования на подложке зародыша кристалла его появление облегчается еще и потому, что в этом случае обмен атомами между зародышем и расплавленным металлом будет более интенсивным, чем при образовании зародыша в гомогенной системе. Это приводит к увеличению множителя ё~иа/кТ, а следовательно, и к повышению вероятности их появления.

Как отмечалось, величина V'„ снижается при перемешивании металла, что также способствует образованию зародышей кристаллов. Однако интенсивность перемешивания расплавленного металла, осуществляемого за счет электромагнитных сил или вводимых ультразвуковых колебаний, может изменить под действием силы вязкого трения состояние переходного слоя и величину межфазного натяжения на границе расплав — кристалл [248]. Расчеты показывают, что для стали с кристаллом, радиус которого равен 0,1 • Ю-2 м, величина межфазного натяжения на границе расплав — кристалл при интенсивности ультразвуковых колебаний 1 • 10* Вт/м2 и частоте 2 • 1С4 Рц снижается на До = 80 мДж/м2. Поэтому в формулы (У.б), (\1.7) и (У.9) при перемешивании металла следует подставлять значение межфазного натяжения Оф, найденное из выражения Оф = а — Да, где а — межфазное натяжение на границе расплав — кристалл в неподвижной среде. Как оказалось [248], величина Да мало зависит от природы металла. Поэтому, чем меньше поверхностное натяжение металла, тем в большей мере на процесс кристаллизации повлияет введение колебаний в металл сварочной ванны.

Таким образом, интенсивность образования зародышей кристаллов и их критический размер зависят от поверхностных свойств расплава и границы расплав — кристалл, а также от величины степени переохлаждения металла, его физических свойств, наличия в металле тугоплавких частиц, их структуры и от интенсивности перемешивания металла.

Окончательный размер кристаллического зерна во многом

определяется соотношением скорости образования центров кристаллизации / и линейной скорости роста этих центров v [217]: d — haV v/I , где h3 — безразмерная величина, зависящая от формы зерна; для кубического зерна h3 = 1,093; для сферического зерна Л3 = 1,29.

Кроме того, на скорость роста кристаллов и на их форму в значительной мере будет влиять наличие в расплаве поверхностно-активных элементов. Это связано с тем, что поверхностно-активные элементы, адсорбируясь на поверхность кристаллов, существенно изменяют их поверхностные свойства, даже если этот слой имеет толщину порядка моноатомного слоя [138]. Связь между ростом отдельных граней кристалла и величиной межфазного натяжения на соответствующих гранях, согласно правилу Вульфа, устанавливается следующим соотношением:

(тД= const,(V.11)

где — длина перпендикуляра, опущенного из центра кристаллизации на i-ю грань или ее продолжение; а( — межфазное натяжение на границе расплава с г'-й гранью кристалла.

Зависимость (V. 11) свидетельствует о значительном влиянии поверхностно-активных элементов на процесс роста кристаллов. Причем обычно действие этих элементов проявляется при весьма малых их концентрациях в расплаве, что свидетельствует о значительной роли адсорбционных явлений в рассматриваемом процессе.

Из выражения (V. 11) следует, что грани, отличающиеся большим значением поверхностного натяжения, растут быстрее, чем грани с низким поверхностным натяжением. Поэтому при наличии в сварочной ванне поверхностно-активных веществ, адсорбирующих на границу расплав — кристалл, уменьшается линейная скорость кристаллизации, что приводит к измельчению зерна.

Связь размеров кристалла с наличием в жидкости поверхностно-активных веществ подтверждается многими экспериментами. Так, было установлено влияние Al, Мп, Zn, Na и некоторых других элементов на поверхностное натяжение и литую структуру олова [111].

Влияние кальция на поверхностное натяжение и первичную кристаллизацию стали Х15Н25М6 исследовалось Р. И. Залета-евой, Н. С. Крещановским и Л. Л. Куниным. Зависимость структуры наплавленного металла от поверхностной активности составляющих электродных покрытий рассмотрена В. Н. Скворцовым.

Из практики сварки известно, что на размер зерна влияют также скорость охлаждения металла сварочной ванны и интен-