Рис. 3.4. Влияние степени переохлаждения на критический размер зародыша

At

Рис. 3.5. Зависимость скоростей зарождения центров

кристаллизации (1) роста кристаллов (2) от степени переохлаждения

охлаждения (больших скоростях охлаждения). Это имеет важное практическое значение.

Приведенная закономерность увеличения скоростей зарождения и роста кристаллов справедлива только до определенной степени переохлаждения, достигнув максимума, скорости начинают снижаться. Это связано с тем, что и зарождение, и особенно рост кристаллов требуют непрерывного поступления атомов к местам их образования и роста, а подвижность атомов с понижением температуры уменьшается. Таким образом, с увеличением степени переохлаждения скорости зарождения и роста кристаллов повышаются, пока определяющим фактором является уменьшение свободной энергии металла, и начинают снижаться после того, как решающее значение приобретает уменьшение подвижности атомов.

Помимо таких естественных очагов кристаллизации, какими становятся образовавшиеся из расплава зародыши, существуют и искусственные очаги — частицы включений, не растворившихся при плавлении или выделившихся из расплава при температуре выше температуры начала кристаллизации металла. Наилучшими частицами такого рода служат вещества, кристаллическая решетка которых по типу и параметрам близка к решетке кристаллизующегося металла. Поэтому наилучшими очагами такой кристаллизации являются инородные частицы или частицы того же металла, что и расплав. Примеси, не имеющие указанного структурного соответствия, также могут стать искусственными центрами кристаллизации, если они находились в расплаве и поверхностные силы привели к адсорбции на них атомов расплавленного металла. Поскольку рассмотренные центры кристаллизации существуют и в жидком металле, для кристаллизации на них требуется меньшая степень переохлаждения, чем для образования естественного зародыша (кристаллизация на них начинается раньше).

Рассмотренные общие закономерности кристаллизации определяют характер строения металлургических слитков, фасонных отливок и металлов сварных швов. Основными элементами строе-

ния литого металла являются дендрит и кристаллит. Эти элементы рисущи как крупным отливкам и слиткам, так и сварным швам, днако характеры кристаллизации крупных отливок и сварных вов, выполненных сваркой плавлением, существенно отли-аются.

Образование при кристаллизации дендритов — древовидных ристаллов со стволом и ветвями — определяется двумя положениями. Во-первых, рост первичного зародыша кристалла наи-олее активно идет в направлении, перпендикулярном плоскостям наибольшей плотностью упаковки атомов. Во-вторых, там, де отвод теплоты неравномерен, наиболее активно рост идет направлении, перпендикулярном плоскости отвода теплоты. В реальных условиях кристаллизация расплавленного металла идет в пространстве, ограниченном твердыми, более холодными поверхностями — стенками и дном изложницы, стенами литейной формы, твердым металлом в сварочной ванне.

этом случае рост основной оси (ось первого порядка — ствол ендрита), образующейся близко от поверхности кристаллиза-ии, должен идти перпендикулярно этой поверхности. В этом же аправлении в стволе выстраиваются одинаковые кристалло-рафические плоскости элементарных ячеек, перпендикулярные лотноупакованным. Подрастающий ствол сам становится эле-ентом отвода теплоты, в связи с чем от него в разных местах на-инают расти ветви — оси второго порядка также с определенной риентацией кристаллографических плоскостей. Затем от осей торого порядка растут оси третьего порядка и т. д. (рис. 3.6).

При столкновении твердых поверхностей растущих осей раз-ых порядков завершается постройка кристаллита. Оси кристал-(итов' имеют ориентированное кристаллографическое строение и анизотропны по свойствам. Если дендрит растет не на холодной плоскости, а от центра кристаллизации в центре расплава, его рост определяется преимущественным наслоением атомов по определенным плоскостям, и он приобретает сферическую форму, в то время как дендрит, растущий на плоскости, вытягивается перпендикулярно плоскости отвода теплоты (рис. 3.7).

Наличие многих очагов кристаллизации приводит к тому, что при кристаллизации зарождается и растет много дендритов или равновесных кристаллов. Поверхности растущих кристаллов сталкиваются и мешают взаимному развитию, поэтому их форма становится неправильной, а благодаря различной ориентировке конгломерат (поликристаллический металл) теряет анизотропность отдельных осей и становится изотропным. Разориентиро-ванные дендриты и кристаллы неправильной формы называют кристаллитами.

При рассмотрении дендритного строения литого металла следует иметь в виду еще одну особенность — неоднородность химического состава по сечению дендрита. В связи с тем, что первые порции кристаллизующегося металла наиболее чистые (содержат

2 Лившиц Л. С. я др.33