Тема 2. Формирование структуры металла при кристаллизации.

2.1. Гомогенная (самопроизвольная) кристаллизация

Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией. Кристаллизация протекает в условиях, когда система переходит к термо-динамически более устойчивому состоянию с меньшей энергией Гиббса (свободной энерги-ей) G, т.е. когда энергия Гиббса кристалла меньше чем энергия Гиббса жидкой фазы (рис. 9)

Если превращение происходит с небольшим изменением объема, то

G = E – TS,

Где E – полная энергия (внутренняя энергия фазы), Т – абсолютная температура, S – энтропия.

Процесс кристаллизации развивается, если созданы условия, когда возникает разность энергии Гиббса G, образующаяся вследствие меньшей энергии Гиббса твердого металла по сравнению с жидким (рис. 9).

Следовательно, процесс кристаллизации может протекать только при переохлажде-нии металла ниже равновесной температуры Тп. Разность между температурами Тп и Тк , при которых может протекать процесс кристаллизации, носит название степень переохлаж-дения (рис. 10).

 Т = Тп - Тк

Процесс кристаллизации, как впервые установил Д.К. Чернов, начинается с образова-ния кристаллических зародышей (центров кристаллизации) и продолжается в процессе роста их числа и размеров. При охлаждении сплава ниже температуры плавления во многих участках жидкого сплава образуются устойчивые, способные к росту кристаллические заро-дыши (рис. 11).

Пока образовавшиеся кристаллы растут свободно, они имеют более или менее пра-вильную геометрическую форму. Однако при столкновении растущих кристаллов их пра-вильная форма нарушается, так как в этих участках рост граней прекращается. Рост продол-жается только в тех направлениях, где есть свободный доступ «питающей» жидкости. В ре-зультате растущие кристаллы, имевшие сначала геометрически правильную форму, после затвердевания неправильную внешнюю форму и поэтому называются кристаллитами, или зернами.

Явления, протекающие в процессе кристаллизации, сложны и многообразны, Особенно трудно представить начальные стадии процесса, когда в жидкости образуется первый кристаллик, или центр кристаллизации.

Очевидно, что для выявлений условий появления этих центров надо ясно предста-вить строение исходного жидкого металла, где атомы не расположены хаотично, как в газо-образном состоянии, и в то же время в их расположении нет той правильности, которая ха-рактерна для твердого кристаллического тела, где атомы сохраняют постоянство межатом-ных расстояний и угловых соотношений на больших расстояниях - дальний порядок.

В жидком металле сохраняется лишь так называемый ближний порядок, когда упоря-доченное расположение атомов распространяется на очень небольшое расстояние. С пони-жением температуры степень ближнего порядка и размер таких микрообъектов возрастает.

При температуре, близких к температуре плавления, в жидком металле возможно обра-зование небольших группировок, в котором атомы упакованы так же, как в кристаллах. Та-кие группировки называют фазовыми флуктуациями. В чистом от примесей жидком металле наиболее крупные гетерофазные флуктуации превращаются в зародыши (центы кристаллизации).

Рост зародышей возможен только при условии, если они достигли определенной вели-чины, начиная с которой их рост ведет к уменьшению энергии Гиббса (рис. 12)

Gобщ = - V GV + S

где V - объем зародыша, GV - разность энергий Гиббса жидкого и твердого металла,

S - суммарная площадь поверхности кристалла,  - удельное поверхностное натяжение на границе жидкость - кристалл.

Минимальный размер зародыша RК, способного к росту при данных температурных услови-ях, называется критическим размером зародыша, а сам зародыш критическим, или равно-весным.

Рост зародышей происходит в результате перехода атомов из переохлажденной жид-кости к кристаллам. Кристалл растет послойно, при этом каждый слой имеет одноатомную толщину (рис.13).

Различают два элементарных процесса роста кристаллов:

1. Образование двумерного зародыша на плоских гранях возникшего кристаллика. Двумерный зародыш должен иметь размер не меньше критического.

2. Рост двумерного зародыша путем поступления атомов из переохлажденной жидко-сти.

Следовательно, скорость роста кристаллов определяется вероятностью образования двумерного зародыша. Чем больше степень переохлаждения, тем меньше величина этого двумерного критического зародыша и тем легче он образуется.

В растущем кристалле всегда имеются дислокации. Атомы могут примкнуть к эти вы-ступам, поэтому образование двумерного зародыша не требуется.

Число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов. Чем больше скорость об-разования зародышей и их роста, тем быстрее протекает процесс кристаллизации. При уве-личении степени переохлаждения скорость образования зародышей и скорость роста их воз-растает, при определенной степени переохлаждения достигают максимума, после чего сни-жаются (рис.14).

Величина зерна. Чем больше скорость образования зародышей и меньше скорость роста их, тем меньше размер кристалла (зерна), выросшего из одного зародыша, и, следовательно, более мелкозернистой будет структура металла.

При небольшой степени переохлаждения Т (малой скорости охлаждения) число заро-дышей мало. В этих условиях будет получено крупное зерно. С увеличение степени переох-лаждения скорость образования зародышей возрастает, количество их увеличивается, и раз-мер зерна в затвердевшем металле уменьшается.

Размер зерна металла сильно влияет на его механические свойства. Эти свойства, особенно вязкость и пластичность, выше, если металл имеет мелкое зерно. Величина зерна зависит не только от степени переохлаждения. На размер зерна оказывает большое влияние температура нагрева и разливки жидкого металла, его химических состав и особенно присутствие в нем посторонних примесей.