Механизм процесса кристаллизации

Процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов:

1) зарождение центров кристаллизации или зародышей;

2) рост кристаллов из этих центров.

Процесс кристаллизации схематично показан на рис. 17.

Рис. 17. Схема процесса кристаллизации

Каждую секунду появляется какое-то количество новых центров кристаллизации, в то же время появившиеся ранее зародыши подрастают с определенной скоростью на какую-то величину. Столкновение растущих кристаллов приводит к потере ими правильной огранки. Это уже не кристаллы, а зерна.

Общая скорость процесса кристаллизации складывается из скорости элементарных процессов и зависит от степени переохлаждения или скорости охлаждения расплава (рис. 18). Обозначения на рис. 18:

ч.ц. – число центров кристаллизации, возникших за 1 с в 1 мм³ расплава,

с.р. – линейная скорость роста кристалла, мм/c.

При медленном охлаждении V₁ и малой степени переохлаждения ΔT₁ возникает малое число зародышей в единицу времени. Из них вырастает небольшое количество крупных зерен. В этом случае получается крупнозернистая структура металла.

При большой скорости охлаждения V₂ и значительной степени переохлаждения ΔT₂ возникает множество зародышей в единицу времени, и из них вырастает много мелких зерен. Структура получается мелкозернистая.

В производственных условиях изготовления отливок встречаются скорости охлаждения, расположенные в левой части графика. Правая же часть этих зависимостей (после максимумов) может быть реализована только в специальных условиях, так как для этого необходимы очень большие скорости охлаждения жидкого металла.

Таким образом, практически увеличение скорости охлаждения при кристаллизации приводит к формированию более мелкозернистого металла, имеющего более высокие механические свойства.

Крайняя левая точка графика соответствует теоретической температуре кристаллизации T_s. Степень переохлаждения ΔT = 0, то есть, нет движущей силы процесса, кристаллизации не будет. Очень маленькая скорость охлаждения может привести к получению только одного зародыша, из которого можно вырастить монокристалл.

В крайней правой точке, при очень большой скорости кристаллизации, атомы не успевают перестроиться в правильную кристаллическую решетку. Зародыши кристаллов не образуются совсем! Металл становится переохлажденной жидкостью, не имеющей дальнего порядка. Такие затвердевшие, но не ставшие кристаллическими металлы называют металлическими стеклами, или аморфными металлами.