Краткие теоретические сведения. Переход металла из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллов называется кристаллизацией
Переход металла из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллов называется кристаллизацией. Особенностью перехода из жидкого состояния в твердое является то, что в чистых металлах он протекает при постоянных температурах, которые зависят от природы металла и давления.
Теплота, выделяющаяся при переходе металла из жидкого состояния в твердое, называется скрытой теплотой плавления. Температура кристаллизации определяется как температура, при которой свободные энергии жидкой и твердой фаз равны. Изменение свободной энергии жидкого и твердого состояний зависит от температуры (рисунок 1).
Для начала кристаллизации необходимы условия, чтобы процесс был термодинамически выгоден системе и сопровождался уменьшением свободной энергии. Для начала кристаллизации необходимо переохлаждение металла, для расплавления – перегревание металла. Величиной или степенью переохлаждения называют разность между теоретической и фактической температурами кристаллизации (рисунок 2). Видно, что жидкость охлаждается и температура доходит до горизонтальной площадки (скрытая теплота кристаллизации). По окончании кристаллизации температура снова начинает снижаться и твердое вещество охлаждается.
Механизм процесса кристаллизации состоит в следующем:
− вначале зарождаются мельчайшие частички зародышей кристаллов на границе раздела фаз или мелких неметаллических включениях (центрах кристаллизации);
− далее кристаллики начинают расти, сталкиваясь в процессе роста друг с другом. По мере развития процесса образуется все больше кристаллов.
Температура TS называется равновесной температурой кристаллизации (плавления). Процесс кристаллизации при этой температуре не происходит, в этих условиях свободные энергии жидкого и твердого состояний равны.
Скорость всего процесса кристаллизации определяется:
− скоростью зарождения центров кристаллизации;
− скоростью роста кристаллов, которая в свою очередь определяется степенью переохлаждения.
При кристаллизации первостепенное значение имеют:
− скорость и направление отвода тепла;
− наличие неметаллических дисперстнейших частиц;
− наличие конвективных токов;
− интервал переохжладения.
Процесс кристализации состоит из двух стадий: зарождения кристаллов (зародышей или центров кристаллизации) и роста кристаллов из этих центров. При переохлаждении сплава ниже Тп на многих участках жидкого металла (рис. 3, а, б) образуются способные к росту кристаллические зародыши. Сначала образовавшиеся кристаллы растут свободно и имеют более или менее правильную геометрическую форму (рис. 3, в, г, д). Затем при соприкосновении растущих кристалов их правильная форма нарушается, так как в этих участках рост граней прекращается.
 |
Рисунок 3 - Последовательные этапы процесса кристаллизации металла
Рост кристалла продолжается только в тех направлениях, где есть свободный доступ жидкого металла. В результате кристаллы, имевшие сначала геометрически правильную форму, после затвердевания получают неправильную форму, их называют кристаллитами или зернами (рис. 3, е).
Температуры затвердевания могут быть реализованы с очень высокой воспроизводимостью наблюдением за горизонтальной частью кривой «температура-время», характеризующей медленное затвердевание очень чистых металлов.
Для большинства металлов степень переохлаждения при кристаллизации в производственных условиях составляет от 10 до 30°С.