14304 IMG2 133 (2)

132

6.3. Krystalizacja stopów

133

a)

6. Krystalizacja z fazy ciekłej

b)

Rys. 6.22. Front krystalizacji eutektyki płytkowej: a) powierzchnia rozdziału, b) kierunki 4

składników stopu

. grubością zespołu dwóch płytek, tzw. kolonii, R - promieniem frontu «je 0 płytki.

^i»^^j_niając dyfuzję przez powierzchnię rozdziału oraz wyjściowe równania ¹ 1^21) Chalmers podaje zależności:

¹' przechłodzenie wywołane promieniem krzywizny powierzchni rozdziału

_AT 2y^ ^r ffQ

(6.22)

$

jest temperaturą eutektyczną, Q - ciepłem topnienia;

jest rezultatem działania szybkości dyfuzji i napięcia powierzchniowego obu r I W temperaturze eutektycznej każda z faz ma określone stężenie, odmieni* stężenia roztworu ciekłego. Wynikiem są gradienty stężenia przed frontem kry^ zacji każdej z faz i dyfuzja składników stopu (rys. 6.22b).

Grubość płytki, tzn. droga dyfuzji w fazie ciekłej, równoległa do powiej, rozdziału, musi być taka, aby liczba atomów metalu A przetransportowana pj płytką fazy a oraz atomów metalu B - przed płytką fazy P doprowadziłaś osiągnięcia stężeń umożliwiających dalszy wzrost obu faz. Wzrost szybkości krysigtl zacji skraca drogę dyfuzji, czyli sprzyja krystalizacji cieńszych płytek. Z drug. strony zmniejszenie grubości płytek powoduje zwiększenie swobodnej energii śj wierzchniowej granic międzyfazowych. Tak więc w warunkach krystalizacji gruy płytek obu faz jest wynikiem przeciwstawnych tendencji: skrócenia drogi dyk i ograniczenia wartości swobodnej energii powierzchniowej.

Przedstawiony mechanizm krystalizacji eutektycznej jest zgodny z analityczny ujęciem zagadnienia, które można rozwiązać przy założeniach:

-    grubość płytek obu faz oraz kształt ich frontu krystalizacji są jednakowej wymaga spełnienia warunku jednakowego napięcia powierzchniowego obu faz.

—    całkowite przechłodzenie na izotermicznej powierzchni rozdziału kryształ •ciecz jest sumą przechłodzeń wywołanych krzywizną powierzchni rozdziału i grj. dientem stężenia w fazie ciekłej przed frontem krystalizacji.

Przy takich założeniach składowe swobodnej energii powierzchniowej w kierui-ku prostopadłym do frontu krystalizacji są równe (rys. 6.22a)

0 0

y«_ccos - + y_Pccos - = y_a p.    (6.1)

Ponieważ zgodnie z założeniem y_ac = yp_c, zależność (6.19) przybiera postać:

2y«cos^ = y_a(J.    (63)

Z geometrii frontu krystalizacji wynika

a    0

- - Rcos-,    (6.21)

4    2    I

W _na przechłodzenie spowodowane gradientem stężenia w cieczy przed po-

Stulił W”¹*¹"

**    . _ mJl - k_a)c_Ev_Kg

M AT. = ^BV — ? I .    (6.23)

16D

edzie

s dT_E/dc_c jest współczynnikiem nachylenia linii likwidusu, D - współ-

>ikitm im-

l porównania równań (6.22) i (6.23) otrzymuje się

9 =

1 32y_aPT_ED v_K m_a(l - k_a)c_EQ

(6.24)

2 równania (6.24) wynika, że grubość kolonii eutektycznej g jest proporcjonalna jo odwrotności pierwiastka kwadratowego z szybkości krystalizacji. Zależność wykazuje dobrą zgodność z doświadczeniem.

Przedstawiony mechanizm krystalizacji eutektyki płytkowej można dostosować do eutektyki słupkowej. W tym przypadku krystalizacja jest również wynikiem zarodkowania i wzrostu dwóch faz oraz stanowi rezultat przeciwstawnych tendencji układu: skrócenia drogi dyfuzji i zapewnienia minimum swobodnej energii powierzchniowej.

Mechanizm krystalizacji eutektyki ziarnistej lub iglastej jest znacznie bardziej złożony. Mikrostruktura tych eutektyk dowodzi, że podczas krystalizacji zachodzi ciągłe niejednorodne zarodkowanie w roztworze ciekłym fazy wydzielonej przed frontem krystalizacji osnowy. Powoduje to zmniejszanie gradientu stężenia oraz przechłodzenia. Taki przebieg krystalizacji tłumaczy przypadkową orientację krystalograficzną wydzieleń w stosunku do osnowy. Wydzielenia sferoidalne są wynikiem szybkości wzrostu niezależnej od kierunku krystalograficznego, natomiast iglaste są wynikiem anizotropii wzrostu.

W zanieczyszczonych stopach dwuskładnikowych zawartość domieszki może wywołać przechłodzenie stężeniowe i doprowadzić do trwałej struktury komórkowej frontu krystalizacji, co często występuje w warunkach technicznych. Ponieważ wzrost kryształów następuje w kierunku prostopadłym do frontu krystalizacji, zatem jego wypukłości powodują duże zmiany formy krystalizujących faz. Dlatego mikrostruktura eutektyki stopów technicznych (zanieczyszczonych) najczęściej odbiega od typowej, przybierając formy ziarn lub eutektycznych kolonii rozłożonych na tle osnowy.