Механизм и закономерности кристаллизации металлов

Процесс образования твердой кристаллической фазы из жидкости называется первичной кристаллизацией. Перекристаллизация некоторых металлов и сплавов в твердом состоянии при нагреве и охлаждении называется вторичной кристаллизацией.

Любое фазовое состояние вещества (жидкого или твердого) характеризуется определенным значением свободной энергии, зависящей от температуры, что показано на рисунке 9.

Рисунок 9. Схема изменения свободной энергии жидкого и

кристаллического металла в зависимости от температуры

В соответствии с этой схемой выше температуры Ts вещество должно находиться в жидком состоянии, а ниже Ts – в твердом.

При температуре равной Ts жидкая и твердая фаза обладают одинаковой энергией, металл в обоих состояниях находится в равновесии, поэтому две фазы могут существовать одновременно бесконечно долго. Температура Ts – равновесная или теоретическая температура кристаллизации.

Для начала процесса кристаллизации необходимо, чтобы процесс был термодинамически выгоден системе и сопровождался уменьшением свободной энергии системы. Это возможно при охлаждении жидкости ниже температуры Ts. Температура, при которой практически начинается кристаллизация называется фактической температурой кристаллизации.

Процесс перехода металла из жидкого состояния в кристаллическое можно изобразить кривыми в координатах t-T (рисунок 10). Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации называется переохлаждением, которое характеризуется степенью переохлаждения ( – теоретическая температура кристаллизации; – фактическая температура кристаллизации).

Рисунок 10. Кривая охлаждения чистого металла:

Согласно рисунку 10, до точки 1 металл охлаждается в жидком состоянии, процесс сопровождается плавным понижением температуры. На участке 1-2 идет процесс кристаллизации, сопровождающийся выделением тепла, которое называется скрытой теплотой кристаллизации. Оно компенсирует рассеивание теплоты в пространство, и поэтому температура остается постоянной. После окончания кристаллизации в точке 2 температура снова начинает снижаться, металл охлаждается в твердом состоянии.

Степень переохлаждения зависит от природы металла, от степени его загрязненности (чем чище металл, тем больше степень переохлаждения), от скорости охлаждения (чем выше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждения).

Механизм кристаллизации представлен на рисунке 11.

Рисунок 11. Механизм кристаллизации

Центры кристаллизации образуются в исходной фазе независимо друг от друга в случайных местах. Сначала кристаллы имеют правильную форму, но по мере столкновения и срастания с другими кристаллами форма нарушается. Рост продолжается в направлениях, где есть свободный доступ питающей среды. После окончания кристаллизации имеем поликристаллическое тело.