Затвердевание металлического расплава при внешних воздействиях
  1.1 Характеристика процесса кристаллизации

Процессы затвердевания и кристаллизации расплавов и растворов являются предметами пристального внимания исследователей уже много десятилетий. Это обусловлено тем, что здесь формируется качество будущих изделий и уровень физико-механических свойств и эксплуатационных характеристик. Эти процессы являются основой металлургических и химических технологий.

Процессы усложняются, когда происходит затвердевание и кристаллизация в больших объемах, что характерно для металлургии и литейного производства.

Обобщая многочисленные теоретические исследования можно представить процесс кристаллизации, состоящий из ряда этапов. К ним относится образование пересыщенного раствора или переохлажденного расплава, появление зародышей, рост кристаллов и перекристаллизация. Следует отметить, что очередность отдельных этапов во времени может быть разной. Они либо следуют один за другим, либо протекают почти одновременно, совмещаясь друг с другом.

В целом кинетика кристаллизации может быть охарактеризована следующими основными параметрами: степенью пересыщения или переохлаждения, скоростью зародышеобразования и скоростью роста кристаллов. Кроме того, при описании процесса кристаллизации следует учитывать инкубационный период, время половины превращения, максимальную скорость кристаллизации, порядок процесса и т. д. Не задаваясь целью осветить сразу все относящиеся к кристаллизации термины и понятия, остановимся, прежде всего, на тех, которые необходимы для общего представления и понимания сути данного процесса.

Пересыщение или переохлаждение являются движущей силой процесса кристаллизации. Пересыщенными растворами называются растворы, концентрация которых превышает равновесную концентрацию (растворимость). Переохлажденными расплавами называют расплавы, имеющие температуру ниже температуры плавления. Отсюда следуют и представления о степени пересыщения или переохлаждения.

Для характеристики степени пересыщения используются три величины: абсолютное пересыщение с, относительное пересыщение и коэффициент пересыщения s. Они соответственно равны:

где с – концентрация, ceq – равновесная концентрация. Степень переохлаждения обычно оценивается одной величиной – абсолютным переохлаждением

Ход кристаллизации графически изображается зависимостью «концентрация – время». Под скоростью кристаллизации понимают либо изменение концентрации раствора (расплава), отнесенное к единице времени m=c/t, либо количество кристаллической фазы, образовавшейся в единицу времени в единице объема m=m/(t•V). Скоростью образования зародышей называют число центров кристаллизации, образующихся в единицу времени N=N/t. Скорость роста каждого кристалла в отдельности описывается совокупностью линейных скоростей роста отдельных его граней. Под линейной скоростью роста понимается перемещение грани параллельно самой себе, происходящее за единицу времени:

Скорость кристаллизации в системе определяется скоростями зародышеобразования и роста отдельных кристаллов. Естественно, все, что оказывает влияние на зародышеобразование и линейные скорости роста, отражается и на кинетике процесса кристаллизации в целом.

Кристаллизация может проходить в кинетической, диффузионно-кинетической или диффузионной областях. В первой из них скорость процесса определяется реакцией взаимодействия простейших частиц (ионов или молекул) с поверхностью кристаллов, т. е. непосредственно актом перехода вещества из жидкой фазы в твердую. Во второй – скорости взаимодействия на границе раздела фаз и диффузии примерно равны и обе влияют на скорость фазового превращения. Наконец, в третьем случае скорость кристаллизации определяется скоростью диффузии.

Диаграмма состояний раствораХод фазового превращения существенно зависит от того, в какой области существования пересыщенных растворов оно начинается. Дело в том, что раствор может находиться, по крайней мере, в трех состояниях: в стабильном, метастабильном и лабильном. Стабильное состояние и соответствующая ему область (рис. 1.1.) отвечают концентрациям, равным равновесной или меньшим, чем равновесная. Метастабильное состояние в свою очередь делится на две зоны. Первая лежит между равновесной концентрацией и концентрацией, ниже которой гомогенное зародышеобразование практически невозможно (кривая 1). Вторая зона располагается между кривыми 2 и 1 и отвечает концентрациям, при которых спонтанное образование зародышей возможно, но происходит не сразу, а через некоторый промежуток времени.

Рис. 1.1. Диаграмма состояний раствора: S – стабильная область; M1, и M2 – первая и вторая метастабильные области; L – лабильная область; O - кривая растворимости; 1,2 – кривые, отвечающие первой и второй границам метастабильности.

Наконец, лабильное состояние раствора характеризуется тем, что кристаллизация при нем наступает сразу. Ему отвечают концентрации, превышающие с, относящиеся к кривой 2. В зависимости от того, при каких пересыщениях начинается и проходит кристаллизация, наблюдаются те или иные свойственные ей явления. Например, для лабильной области характерно гомогенное зародышеобразование, появление дендритов. В метастабильной области, особенно в первой ее части, при очень низких пересыщениях, кристаллизация возможна только при введении затравки. Наблюдается в основном вторичное зародышеобразование.

Кристаллизация в промышленных условиях, как правило, протекает в многокомпонентных системах хотя бы потому, что любое сырье содержит те или иные примеси. Как следствие этого часть примесей переходит в твердую фазу вместе с основным продуктом. В образовавшемся осадке примеси могут находиться в виде самостоятельной твердой фазы или внедряться тем или иным способом в кристаллы вещества. Механизм захвата и содержание сокристаллизующейся примеси зависит от хода кристаллизации.

Необходимо отметить, что гранулометрический состав и чистота продукта не только являются следствием процесса кристаллизации, но в свою очередь позволяют судить о кинетике кристаллизации. Это говорит о необходимости комплексного изучения процесса кристаллизации.

  1.1 Характеристика процесса кристаллизации
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ