Концентрационное переохлаждение
Опубликовано 13.11.2011
В случае отсутствия переохлаждения, т. е. если нет задержки в зарождении кристаллов, кривая охлаждения похожа на приведенную на фиг. 2, в. Все металлы являются кристаллическими телами и имеют кривые охлаждения, аналогичные изображенным на фиг. 2, а — в. Однако некоторые вещества при затвердевании превращаются в аморфное твердое тело со структурой, напоминающей структуру переохлажденной жидкости. В этом случае в веществе не происходит изменения в степени порядка, не выделяется скрытая теплота и кривая охлаждения имеет вид, изображенный на фиг. 2, г.
Анализ процессов зарождения кристаллов необходим для выяснения причин возникновения значительных переохлаждений при затвердевании металлов, а также потому, что эти процессы оказывают сильное влияние на формирующуюся при кристаллизации структуру литого металла. В следующей главе с качественной точки зрения рассматриваются процессы зарождения кристаллов.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА >)
Chalmers В., Physical Metallurgy, New York — London, 1959.
(Имеется перевод: Б. Чалмерс, Физическое металловедение,
Металлургиздат, 1963.)
‘) Литература, отмеченная звездочкой, добавлена редактором перевода.
Cottrell А. Н., Theoretical Structural Metallurgy, London, 1955.
Vineyard G. H., в сб. «Liquid Metals and Solidification», Cleveland, 1958, p. 1. (Имеется перевод в сб. «Жидкие металлы и их затвердевание», Металлургиздат. 1962, стр. 7.)
Nachtrieb N. Н-, в сб. «Liquid Metals and Solidification», Cleveland, 1958, p. 49. (Имеется перевод в сб. «Жидкие металлы и их затвердевание», Металлургиздат, 1962, стр. 64.)
Lewis G. N., Randall М., «Thermodynamics and the Free Energy of Chemical Substances», New York — London, 1961.
Frost B. R. Т., в сб. «Progress in Metal Physics», ed. B. Chalmers, R. King, vol. V, London, 1954, p. 96. (Имеется перевод в сб. «Успехи физики металлов», т. II, Металлургиздат, 1958, стр. 126.)
Р i р р а г d А. В., The Elements of Classical Thermodynamics, Cambridge, 1957.
Опубликовано 12.11.2011
Несмотря на то что тип эвтектической структуры, образующейся в различных бинарных сплавах, не может быть предсказан с достаточной определенностью, все же имеется довольно много данных, показывающих важность ряда параметров для определения типа структуры.
Например, если эвтектика такова, что составы двух твердых фаз на диаграмме состояния эквидистантны по отношению к составу жидкости эвтектического типа, или если нет большого различия в удельных объемах, занимаемых каждой из двух твердых фаз, то часто наблюдается пластинчатая или стержневая структура. В системах Pb—Sn, AI—Zn и Cd—Sn это положение выполняется. Образование второй фазы в виде игл или выделений нерегулярной формы часто наблюдается в системах, где эвтектическая точка сдвинута ближе к составу одной из твердых фаз и где фаза, присутствующая в сплаве в небольшом количестве, обладает высокой анизотропией роста. Например, в системе А1—Si при 12% кремния образуется эвтектика игольчатого типа, состоящая из твердых фаз состава 1,5% Si — 98,5% А1 и 99% Si—1 % А1. Частицы кремния, имеющие решетку алмаза, занимают 15% общего объема.
Изложенные выше общие правила имеют исключения, и требуется проведение еще многих исследований механизма кристаллизации эвтектических сплавов, прежде чем будет разработана достаточно полная теория, объясняющая образование структур различных типов. Однако имеется достаточное количество исследований, посвященных изучению процессов роста и формирования структуры в эвтектических сплавах; на основании данных этих исследований может быть дано количественное описание процесса кристаллизации в сравнительно простом случае образования эвтектики пластинчатого типа.
§ 2. Образование пластинчатой эвтектики
Образование центров кристаллизации. При охлаждении жидкости эвтектического состава рост кристаллов начинается после образования центров кристаллизации одной из твердых фаз, образующих эвтектику. Рост кристаллов возникшей фазы продолжается до тех пор, пока концентрация отводимого ими второго компонента на фронте кристаллизации не станет достаточной для
образования центров кристаллизации второй фазы ‘). Зарождение кристаллов второй фазы может произойти беспорядочно в объеме жидкости или на кристаллах первой фазы. В случае зарождения на кристаллах первой фазы начинается рост кристаллов двух фаз и происходит эвтектическая кристаллизация. Если вторая фаза беспорядочно возникает в объеме жидкости, то на кристаллах второй фазы, возможно, происходит зарождение кристаллов первой фазы и начинается эвтектический
Опубликовано 11.11.2011
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
Smith М. С., Alloy Series in Physical Metallurgy, New York — London, 1956.
Bailey A. R., Text-book of Metallurgy, 2nd ed., London, 1961. Hume-Rothery W., «Elements of Structural Metallurgy», Inst.
Metals Monograph and Report Series, № 26, London, 1961. Rhines F. N., Phase Diagrams in Metallurgy, New York — London, 1956.
Chalmers B., Physical Metallurgy, New York — London, 1959. (Имеется перевод: Б. Чалмерс, Физическое металловедение, М., 1963.)
Cottrell А. Н., Theoretical Structural Metallurgy, London, 1955. *K у р н а к о в Н. С., Введение в физико-химический анализ, ОНТИ, Л„ 1936.
*Б о ч в а р А. А., Металловедение, М., 1936.
*Ш т ё й н б е р г С. С., Металловедение, т. I, М., 1952,
*П и н е с Б. Я., Очерки по физике металлов, изд-во Харьковского государственного университета, 1962 *Хансен М., Андерко К-, Структуры двойных сплавов, М., 1962.
КОНЦЕНТРАЦИОННОЕ ПЕРЕОХЛАЖДЕНИЕ
После обзора основных принципов, необходимых для построения и интерпретации диаграмм состояния, целесообразно приступить к рассмотрению структур роста кристаллов при затвердевании сплавов. Как в чистых металлах, так и в сплавах образующаяся структура непосредственно определяется величиной переохлаждения. В чистых металлах возникает только термическое переохлаждение расплава, в сплавах же переохлаждение может быть вызвано как изменением температуры расплава, так и его состава. Если переохлаждение вызывается изменением состава, связанным с изменением температуры, оно называется концентрационным!); это переохлаждение определяет структуры роста, обычно наблюдаемые в сплавах. Настоящая глава посвящена вопросам возникновения концентрационного переохлаждения в расплавах, а в гл. 7 рассматриваются структуры, образующиеся при росте кристаллов в сплавах.
Одним из наиболее важных положений, отмеченных в гл. 5, является то, что в неравновесных условиях состав возникшей твердой фазы отличен от состава жидкости, из которой она образовалась; это приводит к возникновению в жидкости перед фронтом кристаллизации градиента концентрации. Так, например, если концентрация примеси в твердой фазе меньше, чем в жидкости, из которой образуется эта твердая фаза, то примесь
‘) Этот термин более распространен в отечественной литературе, чем принятый автором термин constitutional — «структурное переохлаждение». — Прим. ред.
Опубликовано 07.11.2011
Проф. Я. С. УМАНСКИИ
В течение последних нескольких лет было проведено значительное количество исследований, посвященных процессу кристаллизации. Однако большинство полученных результатов опубликовано лишь в периодической литературе или частично затрагивается в книгах, посвященных более общим вопросам. В связи с этим желательно, и это является целью настоящей книги, изложить в простой, но достаточно строгой форме существующие представления о процессе кристаллизации. Настоящая книга рассчитана не на специалистов, а на начинающих; она будет полезна студентам последних курсов, научным работникам, не занимавшимся этим вопросом, металлургам, работающим в этой области, но не имеющим времени подобрать необходимую литературу.
Главная задача книги—показать связь структуры образующейся твердой фазы с условиями, при которых происходит кристаллизация, и, в частности, связь структуры со степенью переохлаждения жидкой фазы перед движущимся фронтом кристаллизации. Для этого проводится анализ различий между жидким и твердым состояниями вещества, рассматриваются процессы возникновения центров кристаллизации и формирования структуры чистых металлов и сплавов.
Глава «Интерпретация диаграмм состояния» может показаться длинной и скучной, но она была включена в таком виде по особой причине: в течение последних 12 лет я часто наблюдал, что студенты при анализе процессов кристаллизации сплавов придают неоправданно большое значение понятиям равновесия и средней концентрации в жидком и твердом состояниях. Поэтому в данной главе особое внимание обращено на концентрацию на границе раздела твердой и жидкой фаз, и процесс кристаллизации, протекающий в неравновесных условиях, рассматривается именно с этой точки зрения. Идеи,
Развиваемые в последующих главах, могут быть значительно легче усвоены, если уяснить, что понятие средней концентрации играет весьма малую роль при описании процессов кристаллизации сплавов.
Одним из наиболее важных успехов, достигнутых в последние годы в проблеме кристаллизации, является создание теории концентрационного переохлаждения. Эта теория рассматривается в гл. 6 и широко используется в последующих главах при описании процесса кристаллизации сплавов и образования сегрегаций. Главы 11 («Зонная очистка») и 12 («Выращивание монокристаллов») написаны специально для лиц, которые собираются приступить к работе над одной из этих проблем, не имея предварительного опыта. Можно надеяться, что любой студент, изучив материал соответствующей главы, сможет приступить к экспериментам, в то же время продолжая более детальное изучение вопроса по рекомендуемой литературе.
Опубликовано 05.11.2011
Существенным недостатком данного метода является то, что фронт кристаллизации не виден в процессе затвердевания; это делает процесс получения затравок более сложным. Этот недостаток может быть частично преодолен установкой термопар в контейнер для измерения температур и определения таким образом положения фронта кристаллизации. Однако главным недостатком этого метода является то, что в нем трудно вырастить монокристалл с заданной ориентировкой; это связано со сложностью правильной установки затравки. Вопрос о выращивании монокристаллов с заданной ориентировкой будет рассмотрен ниже в настоящей главе.
§ 3. Метод Чохральского
При наличии затравки для получения монокристаллов может быть использован метод Чохральского. На фиг. 73 приведена принципиальная схема этого метода.
/
Затравка погружается в контейнер с жидким металлом и затем вытягивается вверх так, что рост кристалла происходит от затравки по направлению к жидкому металлу. Главным достоинством этого метода является то, что граница раздела между твердой и жидкой фазами не касается контейнера и поэтому со стороны контейнера не оказывается какое-либо влияние на металл при
Фиг. 73. Схема установки для выращивания монокристаллов методом Чох- ральского.
Его расширении или сжатии. К недостаткам этого метода можно отнести то, что поперечное сечение образца обычно изменяется в процессе вытягивания, так как скорость вытягивания и температура ванны не могут быть поддержаны строго постоянными.
