KRYSTALIZACJA METALI I STOPÓW Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Krzepnięcie przemiana fazy ciekłej w fazę stałą Krystalizacja przemiana fazy ciekłej w fazę stałą o budowie krystalicznej, o podstawowym znaczeniu w procesie kształtowania wyrobów metalowych na drodze odlewania Zmiany temperatury w funkcji czasu chłodzenia od stanu ciekłego: 1-3 materiały krystaliczne, 4 materiał amorficzny 2
Krystalizacja przebiega przez zarodkowanie i wzrost zarodków krystalizacji. Zarodki krystalizacji zespoły bliskiego uporządkowania w fazie ciekłej o wielkości większej od krytycznej (kilkuatomowe skupiska fazy stałej o typowej dla niej strukturze krystalicznej), które rozrastając się powodują stopniowe przechodzenie fazy ciekłej w stałą. Szybkość krystalizacji zależy od: szybkości zarodkowania, tj. liczby zarodków krystalizacji tworzących się w ciągu jednostki czasu w jednostce objętości cieczy, liniowej szybkości krystalizacji, tj. szybkości przesuwania się frontu krystalizacji, mierzonej w jednostkach długości na jednostkę czasu. 3
Zależność szybkości zarodkowania I z i szybkości wzrostu zarodków V r w funkcji przechłodzenia T 4
Przy nieznacznym przechłodzeniu (małej szybkości chłodzenia) metal ma strukturę gruboziarnistą. Ze zwiększeniem szybkości przechłodzenia liniowa szybkość krystalizacji wzrasta wolniej od szybkości zarodkowania, metal ma strukturę drobnoziarnistą. Maksimum szybkości zarodkowania odpowiada większemu przechłodzeniu niż maksimum liniowej szybkości krystalizacji, metal osiąga w tym zakresie najmniejszą wielkość ziarna Przy bardzo dużych szybkościach chłodzenia szybkość zarodkowania i liniowa szybkość krystalizacji są równe zeru, metal posiada amorficzną strukturę szkła. 5
Zarodkowanie może być: heterogeniczne, gdy funkcje zarodków przejmują obce, nierozpuszczone w cieczy cząstki faz stałych, homogeniczne, gdy prawdopodobieństwo powstania zarodka jest jednakowe w dowolnym miejscu układu. 6
Siła napędowa procesu tworzenia zarodka: F = S F s V F v F v różnica energii swobodnej przypadająca na jednostkę powierzchni F s różnica energii swobodnej zużyta do wytworzenia granicy miedzyfazowej S powierzchnia zarodków, V objętość zarodków Przy założeniu, że zarodki mają kształt kulisty o promieniu r: F = 4 r 2 F s 4/3 r 3 F v Jeżeli zarodek ma promień mniejszy od r k jego rozrost jest związany ze wzrostem energii swobodnej i jest on nietrwały. 7
Wzrost zarodków osadzanie na jego powierzchni atomów z cieczy w pozycjach odpowiadających położeniom w sieci przestrzennej. Prawdopodobieństwo (teoretyczne) przyłączenia atomu do zarodka wzrasta w kolejności położeń: ściana 1, krawędź 2, naroże 3 (1,2,3 kierunkowe działanie wiązań). Najkorzystniejsze rzeczywiste warunki: stopnie na powierzchni wyniku wyjścia na powierzchnię dyslokacji śrubowej. Warunek postępu krystalizacji: odprowadzanie ciepła krzepnięcia, które zmniejsza przechłodzenie. 8 w
Krystalizacja czystych metali wzrost dendrytyczny Schemat wzrostu dendrytu (kryształu o kształcie drzewa): gdy w wyniku wydzielania ciepła krzepnięcia i zaniku przechłodzenia zostanie zahamowany szybki wzrost kryształu od A do B, kryształ zaczyna wzrastać w innym kierunku w miejscu dostatecznego przechłodzenia, np. od C do D. 9
Kolejne etapy krystalizacji: a) zarodki, b) dendryty, c) ziarna 10
Krystalizacja stopów cechy charakterystyczne skład fazy ciekłej i stałej zmieniają się w trakcie krystalizacji krystalizacja przebiega zwykle w zakresie temperatur (likwidus solidus) Zmiany temperatury metalu (1) i stopów metali (2) w trakcie krystalizacji 11
Segregacja dendrytyczna zróżnicowanie składu chemicznego w obrębie dendrytu lub ziarna fazy stałej, będące wynikiem krystalizacji w zakresie temperatur likwidus solidus 12
Segregacja w skali makroskopowej zróżnicowanie składu chemicznego w objętości odlanego elementu, będące wynikiem stopniowego krzepnięcia elementu oraz obecności cząstek niemetalicznych (siarczki, tlenki). 13
Struktura pierwotna struktura utworzona podczas krystalizacji. Charakter struktury zależy głównie od: szybkości chłodzenia obecności obcych wtrąceń, będących zarodkami krystalizacji. Struktura pierwotna wlewka. Ziarna metalu o różnym kształcie i wielkości: 1 kryształy zamrożone, 2 kryształy słupkowe, 14 3 kryształy wolne (równoosiowe).
Porowatość powstała podczas krystalizacji np. w wyniku wydzielania się z ciekłej stali dwutlenku węgla: FeO + C = CO 2 + Fe czemu można zapobiec, dodając odtleniacze. a) Stal uspokojona odtleniona dostateczną ilością Si, Mn, Al b) Stal półuspokojona częściowo odtleniona c) Stal nieuspokojona odtleniona w niewielkim stopniu Mn Jama usadowa Struktura pierwotna wlewka stali: a) uspokojonej, b) półuspokojonej, c) nieuspokojonej 15