Влияние скорости охлаждения сплава па размер его дендритной ячейки

Общие сведения

Сплавы в отливках всегда кристаллизуются неравновесно из-за неполного диффузионного массоиереноса в расплаве и почти полного отсутствия массопереноса в кристаллах. В этих условиях имеет место дендритная кристаллизация, во время которой кристаллы приобретают разветвленную форму, часто напоминающую ствол дерева с ветвями. На металлографическом шлифе, плоскость которого расположена произвольно по отношению к направлению стволов и ветвей дендритов, случайные сечения последних выглядят как ячейки. Эти ячейки, называемые дендритными, выявляются на шлифах благодаря локальным различиям состава, т.с. дендритной ликвации. Если сплав представляет собой однородный твердый раствор, го ячейки занимают все поле шлифа. Если в сплаве имеется эвтектика, то дендритные ячейки могут быть разделены полем эвтектики. Увеличение скорости охлаждения при кристаллизации сплавов всегда вызывает измельчение дендритной ячейки. Это происходит следующим образом.

Рост кристаллов сплавов при обычных скоростях охлаждения, не превышающих 10⁴°С/с, происходит за счет диффузионного массопереноса в расплаве, который определяется площадью поверхности кристалла, коэффициентом диффузии в расплаве, градиентом концентрации компонентов в слое расплава около растущего кристалла. При увеличении скорости охлаждения должно происходить увеличение массы вещества, кристаллизующегося в единицу времени, соответственно возросшему количеству тепла, отводимого от расплава. Коэффициент диффузии постоянен для заданной температуры, поэтому необходимое для развития кристаллов увеличение массы вещества может быть достигнуто за счет роста площади поверхности кристаллов и увеличения градиента концентрации в слое расплава около кристалла.

Обе эти возможности реализуются при более частом расположении ветвей на стволах дендритов. В структуре эти изменения проявляются как измельчение дендритной ячейки. Расчеты по этому механизму дают следующую зависимость размера дендритной ячейки d от скорости охлаждения V в интервале кристаллизации: dV°'⁵'°'³=A. Коэффициент, А зависит от концентрации легирующего компонента в сплаве, коэффициента распределения этого компонента, коэффициента диффузии. Эта зависимость наблюдается в широком диапазоне скоростей охлаждения от 10'³ до 10³ С/с. При очень малых скоростях охлаждения диффузионный массоперенос перестает играть существенную роль в процессе. В этих условиях образуегся плоский фронт кристаллизации и фактически dV стремится к бесконечности. При очень больших скоростях охлаждения изменяется сущность процесса: кристаллизация становится не дендритной и образуется аморфный металл. Практически дендритная ячейка (0,5−1мм) изменяется до 3— 5 мкм в поверхностных слоях мелких отливок, получаемых в металлических формах.