Fenomene care însoțesc procesul de solidificare prin cristalizare

Student: Mihaescu Daniel gr. 1

Chiriac Adrian gr. 1

Ciochina Constantin gr. 2

An II Tehnica Dentara

Prin cristal se înțelege un corp omogen, anizotrop, aranjat într-o structură internă tridimensională în diferite sisteme de simetrie cu repetări periodice numite  sisteme de cristalizare. Se poate distinge o structură cristalină primară în formă de rețea, sau amorfă ca de exemplu a sticlei. Unele substante se pot găsi atât în stare cristalina, cât si in stare amorfă; un exemplu este dioxidul de siliciu (SiO2), care in stare cristalina este cuartul, iar in stare amorfa este sticla de cuart.

Definitie : Starea cristalină rezultă din aranjarea unităților structurale ale solidului (ioni, atomi, molecule) într-o ordine bine definită în trei dimensiuni. Această așezare ordonată are loc atât în cadrul unui grup limitat de unități structurale (ordine locală), cât și pe domenii întinse (ordine depărtată).

Structura: In procesul de formare a cristalelor, un rol preponderent îl au condițiile în care are loc solidificarea. Procesele de solidificare încep și decurg în jurul unui centru de cristalizare, unde apar acumulări de atomi. Trecerea din starea lichidă în cea solidă poate avea loc atât în mod rapid, ceea ce determină apariția unui număr mare de centre de cristalizare, obținându-se policristale, fie în mod lent, când procesul de solidificare are loc în jurul unui singur centru, cu formarea unuimonocristal, ale cărui dimensiuni depind de viteza de răcire. Corpurile cristaline se găsesc de obicei sub forma de policristale.

Mecanismul şi cinetica procesului de solidificare

Pentru ca un metal să se solidifice prin cristalizare, este necesar să fie subrăcit (subrăcirea este diferenţa de temperatură între temperatura ideală de solidificare şi temperatura reală, tehnologică de răcire), solidificarea acestuia începând cu germinarea centrilor de cristalizare. Germinarea centrilor de cristalizare reprezintă etapa din solidificarea metalului din topitură, când apar grupări de atomi cu o ordonare spaţială intermediară intre ordinea la mică distanţă din lichid, şi cea la mare distanţă din corpurile solide cristaline. Fenomenul solidificării este caracterizat de viteza cu care germinează centrii de cristalizare şi viteza cu care se dezvoltă cristalele pe aceşti centri. Centrii de cristalizare sunt fie centri proprii (omogeni), fie centri străini (eterogeni), sub formă de incluziuni.

Germinarea omogenă pe centri proprii de cristalizare se observă în cazul cristalizării metalelor foarte pure. Viteza de germinare depinde de raza critică (cea mai mică dimensiune de la care poate creşte un cristal pe germene) şi de tensiunea superficială ce apare între solid şi topitură.

Germinarea eterogenă se întâlneşte în practica solidificării materialelor metalice, tensiunile la interfaţa solid-lichid fiind mai mici şi creindu-se premise pentru ca germenii de cristalizare să se formeze pe suprafeţe preexistente în topitură (suprafaţa creuzetului de eleborare, a formei de turnare, a incluziunilor din topitură).

Viteza de germinare poate fi influienţată şi de vibraţii sonore sau ultrasonore, dar şi de prezenţa câmpurilor magnetic sau electric. Creşterea germenilor cristalini are loc ca urmare a trecerii atomilor din topitura subrăcită în nucleele de creştere. Creşterea cristalelor are loc prin depunerea atomilor din topitură pe o

suprafaţă cu un strat atomic incomplete. După formarea pe suprafaţă a unui germene bidimensional, acesta creşte până la dezvoltarea unui strat atomic complet. Cristalul creşte prin formarea de germeni bidimensionali şi dezvoltarea de straturi atomice complete.

Viteza de solidificare creşte odată cu creşterea suprafeţei de contact dintre metalul solid şi topitura metalică, solidificarea metalului, viteza de solidificare atingând un maxim când topitura metalică este solidificată în proporţie de 50%, după care tinde spre zero odată cu solidificarea intregii topituri metalice.

Intuitiv procesul de cristalizare a unei topituri metalice, pornind de la apariţia germenilor, creşterea cristalelor şi solidificarea totală poate fi urmărit în figura următoare.Forma şi mărimea cristalelor obţinute prin solidificare

Viteza de germinare a centrilor de creştere a cristalelor şi viteza de creştere influienţează mărimea grăunţilor cristalini. Creşterea vitezei de germinare are loc odată cu creşterea vitezei de răcire, iar dacă aceasta este mai mare ca viteza de creştere a grăunţilor se obţine o structură cu grăunţi cristalini fini.

Viteza de creştere a cristalelor este izotropă, cristalul crescând cu viteză mare in direcţia perpendiculară pe suprafţa cu cea mai mică densitate de atomi. În timpul creşterii libere feţele cu densitate atomică mică se micşorează şi se dezvoltă feţele cu densitate atomică mare.

Forma cristalelor depinde de viteza lor de creştere. Astfel dacă în topitura metalică există un gradient de temperatură, când temperatura scade sub temperatura de solidificare TS temperatura

interfeţei lichid-solid creşte din nou şi atunci când există denivelări la nivelul acestei interfeţe aflate în lichidul subrăcit, vârful denivelării creşte mai repede ca al suprafeţei pe care se află. Aceste vârfuri se dezvoltă în lungul unor axe principale lungi, iar perpendicular pe axele principale cresc şi denivelările de pe acestea formând axe secundare. În acest mod creşte un cristal dendritic.

În cazul solidificării unui metal, procesul solidificării începe din mai multe centre de cristalizare, din fiecare centru crescând o dendrită. Creşterea unei dendrite are loc până întâlneşte o dendrită vecină, moment în care creşterea axelor principale se opreşte şi solidificarea continuă prin formarea de ramificaţii până când tot spaţiul dintre ramificaţii se umple cu metal solid.

Fenomene care însoţesc cristalizarea

În cazul solidificării metalelor în lingouri turnate în lingotiere, pentru că solidificarea este determinată de gradientul de temperatură dintre temperatura topiturii metalice şi temperatura pereţilor lingotierei, în cuprinsul lingoului apar 3 zone cu cristale de mărime şi forme diferite: 1-zona de crustă a lingoului alcătuită din grăunţi cristalini mici pentru că viteza de germinare este mare iar vitaza de creştere a cristalelor este mică

2-zona cristalelor columnare alungite perpendiculare pe faţa lingoului

3-zona cristalelor echiaxe în centrul lingoului cu cristalizare necontrolată şi cristale echiaxe cu orientări diferite

Solidificarea prin cristalizare şi răcirea lingoului este însoţită de o micşorare a volumului de masă metalică. Datorită acestui fenomen apar contracţii de solidificare şi de răcire. Micşorarea de volum este însoţită de apariţia de cavităţi de retasură de contracţie şi de tensiuni mecanice interne ( tensiuni remanente de solidificare). Golul de solidificare poate apărea şi sub formă de microretasuri sau microporoziăţi pentru că metalul topit nu pătrunde printre dendritele crescute întâmplător. Aceste defecte de turnare apar în special la aliajele cu interval mare de solidificare şi produc o scădere considerabilă a caracteristicilor mecanice. Un alt fenomen care însoţeşte solidificarea este apariţia de segregaţii, fenomen prin care are loc îmbogăţirea locală în elemente de aliere sau în impurităţi. Segregaţiile de solidificare se datorează solubilităţii diferite a elementelor în fază lichidă şi în fază solidă. Aceste segregaţii apar ca rezultat al respingerii în topitură a unor elemente chimice de către frontul de solidificare şi al redistribuirii lor ulterioare prin difuzie. Segregaţiile sunt segregaţii macroscopice sau segregaţii microscopice, care sunt neomogenităţi de compoziţie la nivel de grăunţi cristalini.