Причины формирования разных морфологий при быстром охлаждении переохлажденного расплава
- Баланс нуклеации и роста. При охлаждении увеличивается пересыщение (переохлаждение) → возрастает скорость нуклеации $I$ и скорость фронта кристаллизации $v$. Классически
$$I\approx I_0\exp (-\Delta G^{\ast }/kT),$$ где $\Delta G^{\ast }$ — энергетический барьер нуклеации (зависит от поверхностного натяжения), $k$ — постоянная Больцмана. Малые барьеры при большой $\Delta T$ дают много мелких зародышей (мелкозернистая/равновосная структура); при невысоком $I$ доминирует рост немногих зародышей (крупные дендриты/ветвистые структуры).
- Критический радиус зародыша:
$$r^{\ast }=\frac{2{\gamma }_{sl}{V}_m}{\Delta G_v},$$ где ${\gamma }_{sl}$ — интерфейсная энергия, $V_m$ — молярный объём, $\Delta G_v$ — объёмная свободная энергия кристалла (увеличивается с $\Delta T$). Меньший $r^{\ast }$ при большем $\Delta T$ → легче нуклеация.
- Конституционное пересуперохлаждение и морфологическая устойчивость. При наличии легирующих примесей и при быстром росте накапливается сольют перед фронтом; если температурный градиент $G$ мал по сравнению со скоростью $v$, фронт становится неустойчивым (Mullins–Sekerka) и образуются дендриты/ячейки. Условно:
$$\text{конституциональная нестабильность при}G<\frac{m(1-k)C_{0}v}{D},$$ где $m$ — наклон линий состояния, $k$ — коэффициент разделения, $C_0$ — начальная концентрация, $D$ — диффузионный коэффициент в расплаве.
- Диффузионная длина и кинетика интерфейса. Диффузионная длина $l_D\sim D/v$. При быстром росте $l_D$ мала — сильная концентрационная неоднородность у границы → дендритизация и мелкие первичные интервалы; при медленном росте $l_D$ велика → более гладкие планарные фронты.
- Анизотропия межфазной энергии и кинетики интерфейса. Кристаллографическая анизотропия приводит к предпочтительному росту в определённых направлениях (дендриты, ветви).
- Вязкость, отвод теплоты и скрытая теплота. Быстрое охлаждение может локально нагревать фронт (саморазогрев), изменяя локальные скорости и структуру; высокая вязкость/перекрытие температурного профиля способствует аморфизации (стеклообразование) при очень больших скоростях.
Как морфология влияет на механические свойства
- Влияние размера зерна (Hall–Petch):
$${\sigma }_y={\sigma }_0+k{d}^{-1/2},$$ где $d$ — средний размер зерна. Более мелкое зёрно (быстрое охлаждение, высокая нуклеация) → выше прочность и твёрдость, но обычно меньшая пластичность.
- Дендритная/корагированная микроструктура: крупные дендриты и широкие интердендритные зоны дают большую анизотропию механических свойств, наличие грубых интердендритных выделений (сегрегация примесей) → локальные хрупкие фазы, снижение вязкости, рост риска трещинообразования по междендритным каналам.
- Междендритная сегрегация и фазы. Быстрый рост снижает время диффузии → усиленная неравномерность состава и образование нелинейных образований (низкокрепкие или хрупкие фазы) в интердендритных областях → ухудшение прочности/усталостной живучести.
- Выравнивание и направление роста (колонные структуры) дают анизотропию: вдоль направленного роста свойства лучше, поперёк — хуже.
- Аморфная (стеклообразная) структура при экстремально быстром охлаждении: высокая твёрдость и предел прочности, но нередко низкая длительная вязкость и склонность к хрупкому разрушению при концентрированных напряжениях.
- Влияние междендритных пор и дефектов: быстрые переходы могут давать пористость и трещины (высокие остаточные напряжения), что снижает пластичность и усталостную стойкость.
Короткие практические следствия
- Повышая скорость охлаждения, получают более мелкое зерно и выше прочность/твёрдость, но снижают пластичность и повышают риск хрупкости и сегрегации.
- Для оптимизации свойств нужно балансировать скорость охлаждения, температурные градиенты и состав (контроль $G/v$, легирования и термообработок), чтобы получить желаемую морфологию (мелкозернистую, однородную или направленную) без нежелательных вторичных фаз и внутренних напряжений.