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 T_S 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.