Кристалізація сплавів

Кристаліза́ція спла́вів — процес переходу сплаву з рідкого стану у твердий з утворенням кристалічних ґраток (кристалів).

У основі кристалізації сплавів, як і чистих металів, лежить прагнення системи до найстійкішого стану при даних умовах, тобто прагнення до стану з мінімальною, вільною енергією. Проте, розглядаючи кристалізацію сплавів слід мати на увазі, що зміна рівноважного стану багатокомпонентної системи визначається не тільки такими зовнішніми факторами як температура і тиск, але і внутрішніми, оскільки з уведенням у метал інших елементів з'являється нова термодинамічна змінна — склад (концентрація). Крім того, оскільки усі розглянуті вище тверді розчини і хімічні сполуки самі по собі є фазами, то сплав може знаходитися не тільки у двохфазному стані (р+тв), але і в трьох- і багатофазному, тому при кристалізації сплаву виникнення фазових флуктуацій слід розглядати з урахуванням зміни і концентрації компонентів.

Перебіг процесу кристалізації

Процес кристалізації починається з утворення зародків — центрів кристалізації (англ. solidification center), якими можуть бути групи елементарних кристалічних ґраток, тугоплавкі неметалічні включення або домішки. Найчастіше кристалізація починається від стінок ливарної форми. Кристали з найбільшою швидкістю ростуть у напрямі, протилежному до напряму відведення тепла, тобто перпендикулярно до стінок форми. Швидкість тужавіння залежить від швидкості росту кристалів, яка обумовлена як швидкістю охолодження, так і числом центрів кристалізації. Від цього залежить і характер структури, що утвориться. За невеликої кількості центрів кристалізації ріст кристалів не обмежується, утворюються кристали великого розміру деревоподібної форми — дендрити. Якщо процес кристалізації відбувається з багатьох центрів, то гілки дендритів при зростанні обмежують одна одну й спотворюються з утворенням кристалів неправильної форми, що називаються зернами (англ. grain) або кристалітами (англ. crystal grain crystalline). Комплекс кристалів утворює полікристалічну структуру виливка.

Спотворення кристалічних решіток і стан границь зерен впливають на властивості металів. Наприклад, міцність може зрости внаслідок деформації кристалічних ґраток поблизу границь або зменшитись у зв'язку з наявністю в них домішок. Чим більше домішок у сплаві і чим більшою є швидкість охолодження розплаву, тим дрібнозернистішою є структура виливка отже, і вищими механічні властивості.

При переході сплаву у твердий стан відбувається усадка — зменшення об'єму матеріалу. В результаті усадки між зернами у місцях дотику зростаючих дендритів виникають мікропорожнини, які можуть заповнюватися неметалічними включеннями (сульфідами, фосфідами) або залишатись мікроскопічними раковинами й порами, що приводять до зниження механічних характеристик.

Діаграма стану

Процес кристалізації металевих сплавів і пов'язані з ним численні закономірності їх будови описуються за допомогою так званих діаграм стану (діаграм фазової рівноваги).

Діаграма стану — це графічне зображення структурно-фазового стану будь-якого сплаву системи, що вивчається у залежності від його складу (концентрації) і температури. Діаграма стану дає можливість вивчати фазові структурні складові сплаву, співвідношення між ними в залежності від їх складу. Користуючись діаграмою стану, можна установити можливість проведення термообробки і її режими, температури лиття гарячої пластичної деформації тощо.

Теоретичні основи для розробки ДС були закладені Д. К. Черновим, а їх вивчення для багатьох металів проведено М. С. Курніковим і його науковою школою.

Див. також

• Кристалізація
• Сплав (стоп)
• Правило відрізків

Джерела

• Лахтин Ю .М. Материаловедение: учебник / Ю. М Лахтин, В. П. Леонтьева. — 2-е изд., перераб. и доп. — М. : Машиностроение, 1980. — 493 с.
• Пахолюк А. П. Основи матеріалознавства і конструкційні матеріали: посібник / А. П. Пахолюк, О. А. Пахолюк. — Львів: Світ, 2005. — 172 с. — ISBN 966-603-387-9
• Попович В. В. Технологія конструкційних матеріалів і матеріалознавство: підручник / В. В. Попович, В. В. Попович. — Львів: Світ, 2006. — 624 с. — ISBN 966-603-452-2.
• Матеріалознавство: підручник / С. С. Дяченко, І. В. Дощечкіна, А. О. Мовлян, E. I. Плешаков; за ред. проф. С. С. Дяченко. — Харків: ХНАДУ, 2007. — 440 с. — ISBN 978-966-303-133-0