Охлаждение металла

Когда на затвердевание не влияют температурные градиенты, возникающие в результате способа охлаждения, все кристаллы в твердом металле демонстрируют заметное сходство по размеру и форме. По-видимому, это результат взаимодействия нескольких факторов. Можно предположить, что фрагменты пространственной решетки, которые сначала достигают достаточной стабильности, чтобы служить центрами кристаллизации, будут иметь тенденцию распределяться случайным образом.

Токарные работы на станках с ЧПУ

Однако, когда в них начинается кристаллизация, выделяющееся в процессе тепло создает такие температурные градиенты, что температура расплава вблизи кристаллов выше, чем в других местах. Таким образом, теперь ядра будут иметь тенденцию образовываться в других точках, а не вблизи них, и продолжение этого процесса будет иметь тенденцию приводить к равномерному распределению кристаллов.

Кроме того, ядро не является неподвижной точкой, и растущий кристалл может свободно перемещаться. Поскольку все они растут с одинаковой скоростью, все они будут примерно одинакового размера в любой момент, прежде чем установятся контакты между кристаллами, растущими из разных ядер. Поскольку кристаллы металла, за редким исключением, более плотны, чем расплав, из которого они образуются. Эти контакты устанавливаются, пока кристаллы медленно погружаются. После этого они будут стремиться выталкивать друг друга в те части жидкости, где они могут свободно перемещаться и расти. Из-за этого на размер различных кристаллов будет влиять скорость их роста, которая одинакова для всех, а также распределение исходных ядер.

Приблизительное сходство формы отдельных кристаллов в твердом металле возникает из-за того, что каждый кристалл принимает одинаковую форму при свободном росте в расплаве, и только к концу затвердевания, когда каждый из них практически окружен другими, вступают в действие эффекты взаимной интерференции и приводят к различные модификации формы, которая принимается во время неограниченного роста.

Распределение зародышей, а также скорость и способ роста кристаллов являются факторами, которые приводят к сходству размеров и формы кристаллов в данном образце металла. Количество кристаллов в данном объеме и, следовательно, средний размер кристаллов, однако, контролируется количеством ядер.

Поскольку тенденция к образованию стабильных фрагментов пространственной решетки возрастает с понижением температуры, из этого следует, что по мере охлаждения металла ниже его истинной точки замерзания будет появляться все большее число ядер. Всякий раз, когда начинается кристаллизация, выделяется тепло и последующие изменения температуры зависят от соотношения между скоростью выделения тепла и скоростью его отвода.

Чем быстрее тепло отводится от расплава, тем дальше он будет охлаждаться, прежде чем тепло, выделяющееся при кристаллизации, начнет вызывать повышение температуры, и тем меньше будет это повышение. Таким образом, быстрый отвод тепла (т.е. быстрое охлаждение) приводит к тому, что кристаллизация начинается и продолжается при более низких температурах, в то время как медленный отвод тепла позволяет ему начинаться и продолжаться при более высоких температурах.

Следовательно, при быстром охлаждении образуется много зародышей и небольшой средний размер кристалла, в то время как при медленном охлаждении образуется меньше зародышей и больший средний размер кристалла.