Введение в физику кристализации металлов - Вайнгард У.
Скачать (прямая ссылка):
§ 2. Зональная ликвация
Нормальная (прямая) ликвация. В случае развития нормальной ликвации центр слитка имеет более высокое содержание примеси, чем его наружная часть. Образование более высокой концентрации примеси в центре слитка происходит в результате того, что примесь выталкивается движущимся фронтом кристаллизации и скапливается в зоне, затвердевающей в последнюю очередь. Наблюдаемое в затвердевшем слитке распределение примеси зависит от многих факторов и, в частности, от кристаллической структуры слитка. Для случая направленного роста кристаллов при плоском фронте кристаллизации (в отсутствие ячеистой или дендритной структуры) могут быть рассчитаны кривые распределения примеси в зависимости от расстояния для различных условий кристаллизации.
Кривая распределения примеси в зависимости от расстояния. Следует рассмотреть три возможных случая распределения примеси в слитке в зависимости от условий кристаллизации. Сделанные выше предположения необходимо дополнить еще рядом положений, характерных 94
Г лава 10
для каждого из рассматриваемых случаев в отдельности. Условия, налагаемые в первом случае, аналогичны условиям, принятым при анализе теории концентрационного переохлаждения (см. гл. 6). В этом случае направленная кристаллизация, протекающая с одного конца стержня, происходит при следующих условиях:
1) перемешивание в жидкости осуществляется только за счет диффузии;
2) диффузия в твердой фазе отсутствует;
3) при затвердевании на фронте кристаллизации поддерживается равновесие;
4) k0— постоянная величина.
Как отмечалось выше, при таких условиях вскоре после начала затвердевания перед движущимся фронтом кристаллизации образуется обогащенный примесью слой жидкости. Эта примесь может быть удалена из слоя либо при кристаллизации в твердую фазу, либо за счет диффузии — в объем жидкости. Образовавшаяся в начале процесса твердая фаза имеет состав Cak0, но по мере протекания процесса кристаллизации концентрация примеси в твердой фазе быстро возрастает до значения C0, в то время как состав жидкости вблизи фронта кристаллизации изменяется до C0Ik0. При постоянных условиях роста состав твердой фазы остается постоянным и равным C0 до тех пор, пока не начнется кристаллизация последней части образца, когда последняя порция жидкости с высоким содержанием примеси перейдет в твердое состояние такого же состава, так как находящаяся в жидкости примесь не может быть никуда отведена. Кривая распределения примеси по длине образца, образовавшегося при таких условиях кристаллизации, приведена на фиг. 44 (кривая а).
Обращаясь к диаграмме состояния данной системы, представленной на фиг. 45, следует указать, что большая часть процесса кристаллизации происходила при температуре Ti.
Во втором случае требования (2)—(4) остаются прежними, но вместо требования (1) предполагается, что в жидкости осуществляется полное перемешивание. Как и раньше, образовавшаяся в начале процесса твердая фаза имеет состав Coko, но отводимая примесь пол- Фиг. 44. Распределение концентрации примеси вдоль образца, закристаллизовавшегося в различных условиях.
а — при переносе жидкости только за счет диффузии; б — при полном перемешивании жидкости; в —при частичном перемешивании жидкости за счет конвекции.
А % Примеси _„
Ф и г. 45. Угол диаграммы состояния с образованием твердого раствора. 96
Г лава 10
ностью перемешивается в оставшейся жидкости, так что увеличение концентрации примеси вблизи фронта кристаллизации лишь очень незначительно. Вследствие этого состав следующей порции твердой фазы лишь слегка превышает C0k0. По мере протекания процесса кристаллизации концентрация примеси в твердой фазе постепенно увеличивается в соответствии с увеличением концентрации примеси в оставшейся жидкости. Вблизи конца образца, когда объем оставшейся жидкости становится мал, содержание примеси в твердой фазе весьма быстро увеличивается до очень больших значений. Окончательное распределение примеси вдоль образца в этом случае представлено на фиг. 44 (кривая б); обращаясь к диаграмме состояния, можно отметить, что в этом случае процесс кристаллизации происходит в температурном интервале между T0 и Ti, а температура, при которой произошла кристаллизация последней части жидкости, значительно ниже Ti, так как концентрация примеси в образовавшейся твердой фазе была существенно выше C0.
Третий из рассматриваемых случаев является более реальным, но он значительно труднее поддается количественному описанию, так как предполагается, что в жидкости имеет место частичное перемешивание. Все остальные предположения остаются такими же, как и в рассмотренных выше двух случаях. Как и следует ожидать, концентрационная кривая в лежит где-то между двумя первыми (см. фиг. 44). Перемешивание жидкости может происходить за счет тепловой конвекции, вибрации или естественной конвекции, обусловленной различием в плотностях обогащенной и обедненной примесью жидкости. В случае большой скорости роста кристаллов времени для протекания конвекции бывает недостаточно, но, когда скорость роста мала, может происходить естественная конвекция. При незначительном перемешивании в жидкости кривая в приближается к кривой а, в случае интенсивного перемешивания кривая в смещается по направлению к кривой б. Итак, изменяя интенсивность перемешивания, можно определенным образом сдвигать кривую распределения примеси. Сегрегация (ликвация) в сплавах
