ПЕРВИЧНАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Известно, что все металлы – тела кристаллические. В своей основе они имеют элементарную кристаллическую ячейку.

Переход из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называют кристаллизацией или первичной кристаллизацией.

Процесс кристаллизации состоит их двух стадий: зарождения мельчайших частиц кристаллов (зародышей или центров кристаллизации) и роста кристаллов из этих центров (рис. 3).

 

 

Рисунок 3 – Последовательные этапы процесса кристаллизации

 

В первую секунду кристаллизации образуются центры (или зародыш) кристаллизации и с течением времени с понижением температуры расплава их становится все больше; в то же время образовавшиеся первые центры или растут, или исчезают в силу энергетических причин. Минимальный размер способного к росту зародыша называется критическим размером зародыша. Такой зародыш называют устойчивым.

В какую-то n-1 секунду зародыш кристаллизации выросли, но пока не соединились между собой, их называют монокристаллами или кристаллитами. После полной кристаллизации, когда монокристаллы соединились между собой, металл называют поликристаллом, а кристаллиты – зёрнами, места их соединения – границами зерна.

Кристаллизацию можно представить графиком в координатах температура–время. В идеальном случае кристаллизация начинается при температуре Т_кр=Т_пл (кривая 1, рис. 4 а).

Но поскольку энергии (Е) жидкого и кристаллического состояний при этой температуре равны (рис. 4 б), то кристаллизация не пойдет до конца.

Будет существовать при этой температуре две фазы: жидкая и твердая (кристаллическая). Известно, что все в природе стремится иметь наименьшую энергию состояния. И при данных условиях возможно протекание таких процессов, которые обладают наименьшей свободной энергией.

Это хорошо просматривается при кристаллизации дистиллированной воды при 0°С.

Рисунок 4 – Кривые охлаждения в идеальном и реальном случае кристаллизации (а) и энергии состояний (б)

 

Для того чтобы прошла полная кристаллизация расплава, его нужно переохладить (кривая 2).Разницу между температурами кристаллизации идеальной и реальной кривых охлаждения называют степенью переохлаждения (n). Это же можно видеть на рис. 4б. Ниже температуры Т_кр=Т_пл энергия кристаллического состояния (E_кр) меньше. Жидкого состояния нет.