Дендритный рост кристаллов

Факторы, оказывающие влияние на кинетику кристаллизации и размер зерен, оказывают влияние и на их форму. В условиях близких к равновесию образуются правильно ограненные кристаллы. Они растут медленно, поверхность их гладкая, хотя и содержит необходимые для застройки граней ступеньки (рисунок 2.8).

С увеличением степени переохлаждения межфазная поверхность становится неровной, на поверхности металла появляется множество ячеек, средняя часть которых несколько выдвигается в расплав (рисунок 2.8, б).

 

Рисунок 2.8. Формы роста кристаллов в расплаве при кристаллизации: а - плоский (ограненный) кристалл; б - столбчатый ячеистый; в - дендритный: цифры у осей - соответственно, оси первого, второго и третьего порядков

 

Появление ячеистой структуры связывается с присутствием в расплаве и перераспределением примесей. При наличии постоянного теплоотвода от поверхности отливки в первую очередь кристаллизуются наиболее чистые по содержанию примесей участки жидкого металла, в связи с чем наблюдается выдвижение фронта кристаллизации в расплав. Объемы жидкого металла, наиболее загрязненные примесями оттесняются в появившиеся впадинки на фронте кристаллизации, затвердевают в последнюю очередь и образуют границы ячеек. Выращенный в таких условиях кристалл приобретает столбчатую, вытянутую в направлении теплоотвода форму, напоминающую связку карандашей, боковые поверхности которых соответствуют обогащенным примесями границам зерен.

При еще большем увеличении степени переохлаждения, что достигается увеличением теплоотвода от кристаллизирующейся жидкости, выступы на межфазной границе становятся настолько большими, что жидкость между выступами значительно отстает по темпу затвердевания от выступающих частей кристалла. Наступает так называемый дендритный тип кристаллизации.

Образовавшиеся длинные выступы становятся осями первого порядка. При возникновении на поверхности этих осей неровностей (выступов) появляются новые направления возможного роста кристалла, т.е. оси второго, третьего порядка и т.д. Кристалл в процессе роста напоминает дерево в среде жидкого металла. Если обеспечить слив металла, не закристаллизовавшегося к данному моменту времени, то можно получить дендрит в чистом виде - иллюстрацию для изучения дендритного роста кристаллов (дендрит Чернова). Наслаивание металла на образовавшиеся оси первого, второго и т.д. порядков при последующей кристаллизации приводит к заполнению всего междендритного пространства и образованию сплошного кристалла. Однако слои металла, образующие сплошной кристалл, появившиеся в различные моменты кристаллизации отличаются по содержанию примесей. Оси формируются наиболее чистым металлом, участки, закристаллизовавшиеся в междендритном пространстве в последнюю очередь. Последние наиболее сильно загрязнены примесями.

Дендритный рост кристаллов объясняется следующим образом. Наиболее стабильным кристаллом, например металла с ГЦК решеткой, является кристалл, образованный наиболее плотно упакованными плоскостями (111).Такой кристалл имеет форму октаэдра (рисунок 2.9).

Грани октаэдра обладают минимальной свободной энергией. Вершины октаэдра, как правило, обладают значительным количеством дефектов кристаллического строения, повышенной свободной энергией. В связи с этим уже на ранних этапах роста октаэдрический кристалл отбрасывает шесть отростков в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Эти отростки превращаются в оси первого порядка, ответвления от которых образуют оси второго, третьего и т.д. порядков.

 

Рисунок 2.9. Начальные этапы дендритного роста кристаллов: а - рост совершенного ограненного кристалла в виде октаэдра; б - образование отростков (дендритных осей первого порядка)

 

Ускоренный рост выступающих участков дендрита обусловлен несколькими причинами:

1. Особенности упаковки атомов и преимущественное расположение выходов дефектов кристаллического строения на поверхности этих участков.

2. Выступающие участки кристалла соприкасаются с большим объемом жидкости, приходящейся на единицу их поверхности. За счет этого быстрее рассеивается теплота кристаллизации, выделяющаяся на фронте затвердевания. При этом оказывается, что острие соприкасается с более охлажденным металлом, чем около боковых поверхностей, в связи с чем кристаллизация оказывается более выгодной у острия.

3. Влияние примесей. Накапливаясь в жидком металле у вогнутых участков кристалла, примесь тормозит их рост. Рост же острых выступов, соприкасающихся с расплавом исходного состава, не задерживается.

 

Строение слитка

 

Строение слитка во многом определяется условиями его получения, технологией литья, скоростью и способом охлаждения металла (рисунок 2.10). Различают слитки, полученные кристаллизацией в изложнице и в кристаллизаторе. Классические представления о строении слитка были разработаны впервые Д.К. Черновым еще в ХIХ веке. Они не потеряли своего значения и в настоящее время.

 

Рисунок 2.10. Строение слитка, полученного литьем в изложницу: 1 - зона прикорковых мелких дендритов; 2 - зона столбчатых кристаллов; 3 - зона равноосных кристаллов (центральная часть слитка; 4 усадочная раковина

 

При заливке металла в изложницу на характер образования и роста дендритов оказывают влияние стенки изложницы.

Преимущественные направления роста дендритов зависят от направления теплоотвода, поэтому основная масса главных осей дендритов оказывается ориентированной вдоль направления теплопотока, т.е. в направлении, перпендикулярном стенкам изложницы. Слиток стали обычно состоит из трех зон: I - мелких дендритов (корка), II - столбчатых кристаллов, III - крупных беспорядочно ориентированных дендритов. В верхней части слитка образуется усадочная раковина. Во всех зонах слитка может располагаться междендритная усадочная пористость.

Зная законы кристаллизации, человек научился управлять этим процессом. Одно из направлений управления процессами кристаллизации привело к созданию технологий получения монокристаллов. Существуют два способа получения монокристаллов из расплава.

1 способ. Пробирка с коническим дном, заполненная жидким металлом медленно передвигается вдоль вертикальной печи и постепенно из нее выходит. Затвердевание, начавшееся в вершине конуса постепенно распространяется вдоль пробирки, образуя один кристалл с одной кристаллографической ориентировкой кристаллической решетки во всем объеме образующегося слитка, представляющего собой один крупный кристалл.

2 способ. Заключается в вытягивании монокристалла из расплава с помощью затравки с требуемой кристаллографической направленностью на ее поверхности. При этом затравка опускается сверху в тигель с расплавом до смачивания расплавом ее поверхности с последующим ее вытягиванием вместе с кристаллизующимся металлом. Для получения монокристалла жидкость должна быть перегрета незначительно (на 1-2% Т₀) и скорость вытягивания не должна превышать линейной скорости кристаллизации.