Кристаллизация металлов

Переход металла из жидкого состояния в твердое состояние называется первичной кристаллизацией.Она протекает вследствие перехода системы из термодинамически неустойчивого состояния в термодинамически устойчивое состояние, т.е. из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией. Энергетическое состояние системы принято характеризовать свободной энергией. Свободной энергией называется часть полной энергии вещества, которая обратимо изменяет свою величину при изменении температуры, полиморфных превращений, плавлении и т.д. при равновесной температуре Т_S величины свободной энергии металла в жидком и твердом состоянии равны; металл в обоих состояниях находится в равновесии. При температуре выше Т_S более устойчив жидкий металл, имеющий меньший запас свободной энергии, а ниже этой температуры устойчив твердый металл. Процесс кристаллизации будет развиваться в том случае, если жидкий металл охладить ниже Т_S. Разность между равновесной температурой Т_S и фактической температурой Т_К называетсястепенью переохлаждения.

∆Т = Т_S - T_K.

Впервые процессы кристаллизации были изучены русским ученым Д.К.Черновым, который дал теоретическое обоснование всех важнейших превращений, происходящих в жидком металле при переходе его в твердое состояние. Выводы Д.К.Чернова получили практическое применение и послужили базой для современного учения о кристаллизации. Сущность этого учения состоит в следующем.

В жидком металле происходит постоянное движение атомов. По мере понижения температуры это движение замедляется, атомы начинают сближаться, группироваться, образуя первичные кристаллы, которые получили название зародышей, или центров кристаллизации (Рис.9.). Затем происходит рост кристаллов вокруг этих центров за счет жидкого металла. Одновременно продолжается образование новых центров кристаллизации. Таким образом, кристаллизация состоит из двух стадий: 1) образование центров кристаллизации; 2) рост кристаллов вокруг этих центров.

Рис.9.Последовательные этапы процесса кристаллизации