IMG05

Przy tych założeniach wydzielone kryształy fazy stałej mają skład niejednorodny (zmienny w czasie), natomiast ciecz jest całkowicie jednorodna. Równowaga między ciałem stałym ą cieczą istnieje jedynie przy powierzchni rozdziału. Brak dyfuzji w stanie stałym powoduje, że podczas krzepnięcia większa ilość domieszki jest wypychana do cieczy, a zatem C_L rośnie szybciej niż podczas krzepnięcia równowagowego. Ponieważ ciało stałe rośnie z cieczy o wyższym stężeniu domieszki, jego skład przy powierzchni rozdziału S/L także rośnie szybciej niż w w^rypadku krzepnięcia równowagowego. Zatem C_L wzrośnie ponad CJk_n, a C_s wzrośnie ponad C₀ (rys. 5.1 Ob).

5.2.3. Krzepnięcie w warunkach braku dyfuzji w fazie stałej i dyfuzyjnym rozprowadzeniu domieszki w cieczy

W tych warunkach krzepnięcia pierwsze wydzielone kryształy fazy stałej będą miały skład C_s = k₀C_a (rys. 5.11). Spowoduje to wypchnięcie do cieczy określonej ilości domieszki. Ponieważ domieszka przemieszcza się tylko przez dyfuzję, zmiany składu cieczy mają miejsce jedynie w wąskiej warstwie cieczy bezpośrednio przyległej do frontu krystalizacji. Cała pozostała faza ciekła ma skład równy początkowej koncentracji C₀. Koncentracja domieszki w warstwie bezpośrednio przyległej do frontu krzepnięcia w bardzo krótkim czasie osiąga skład C, = CJk₀. Równanie opisujące kształt krzywej rozkładu domieszki przed frontem krzepnięcia jest wyrażone zależnością:

(5.11)

gdzie: x - odległość od powierzchni rozdziału S/L.

Odległość od frontu krzepnięcia x = DJR, przy której różnica koncentracji C_L - C_a zmniejsza się o „e” razy w porównaniu z maksymalną różnicą przy powierzchni międzyfa-zowej, wynoszącej (CJk₀) - C„, nazywamy odległością charakterystyczną. Odległość ta jest miarą grubości granicznej warstwy dyfuzyjnej.

Okres, w którym faza stała zmienia skład od C_s - k₀C_o do C₀, a faza ciekła od C_L = C₀ do C_L = CJk_n, nazywamy początkowym okresem krystalizacji. Od tego momentu kolejne warstwy fazy stałej krystalizują ze składem C₀ odpowiadającym średniemu składowi stopu. Krzepnięcie to odbywa się w tzw. stanie stacjonarnym, charakteryzującym się stałą ilością domieszki w fazie ciekłej przed rosnącymi kryształami. Profil rozkładu domieszki w kryształach oraz w fazie ciekłej przed frontem krzepnięcia przedstawiono na rysunku 5.1 lc. Krzepnięcie stacjonarne przebiega dopóty, dopóki warstwa cieczy jest grubsza od granicznej warstwy dyfuzyjnej. Od momentu, gdy wymiary ich są porównywalne, domieszka mimo jedynie dyfuzyjnego rozprowadzania zmienia skład całej fazy ciekłej. W miarę dalszego krzepnięcia ostatnie porcje cieczy wzbogacają się w domieszkę do zawartości powyżej CJk_Q, a ostatnie porcje kryształów krystalizują z zawartością domieszki znacznie przekraczającą C_Q. Okres szybkiego wzrostu stężenia C_L i C_s nazywa się końcowym etapem procesu krystalizacji, a grubość warstwy kryształów o wyraźnie wyższej zawartości domieszek równa się grubości warstwy granicznej stanu ustalonego.

215