Причини зміни агрегатного стану матеріалу
Перехід речовини з рідкого агрегатного стану в твердий при охолодженні відбувається за двома основними схемами: аморфитизація і кристалізація. Аморфитизація забезпечує лише формування ближнього порядку розташування атомів і такі речовини називаються аморфними. Кристалізація забезпечує як ближній порядок, так і дальній порядок розташування атомів і такі речовини називаються кристалічними. Кристалізацією називають процес переходу металу із рідкого стану в твердий кристалічний.
Причиною кристалізації або перекристалізації (зміни фазового стану) є природне намагання системи зайняти такий стан, при якому запас її вільної енергії є мінімальним. Термодинамічно це записується як різниця між значенням повної енергії та енергії при певній температурі:
G=E – TS,
де E – повна енергія системи;
G – вільна енергія;
Т – температура;
S – ентропія (міра безпорядку системи).
Рисунок 1.1 – Зміна вільної енергії металу в рідкому GР та твердому GТ станах залежно від температури (Tк – температура, при якій протікає кристалізація)
2.Причини формування впорядкованої кристалічної гратки
Кристалічна решітка - це уявна просторова сітка, у вузлах якої розташовуються атоми (іони), що утворюють метал. Частинки речовини (іони, атоми), з яких побудований кристал, розташовані в певному геометричному порядку, який періодично повторюється в просторі. При переході металу з рідкого у твердий стан відстань між атомами скорочується, а сили взаємодії між ними зростають. Характер взаємодії атомів визначається будовою їх зовнішніх електронних оболонок. При зближенні атомів електрони, що знаходяться на зовнішніх оболонках, втрачають зв'язок зі своїми атомами внаслідок відриву валентного електрона одного атома позитивно зарядженим ядром іншого і т. д. Відбувається утворення вільних електронів, тому що вони не належать окремим атомам. Таким чином, у твердому стані метал представляє собою структуру, що складається з позитивно заряджених іонів, омиваних вільними електронами.
Зв'язок в металі здійснюється електростатичними силами. Між іонами і вільними електронами виникають електростатичні сили тяжіння, які стягують іони. Таку, зв'язок між частинками металу називають металевої.
Сили зв'язку в металах визначаються силами відштовхування і силами тяжіння між іонами і електронами. Іони знаходяться на такій відстані один від іншого, при якому потенційна енергія взаємодії мінімальна. У металі іони розташовуються в певному порядку, утворюючи кристалічну решітку. Таке розташування іонів забезпечується взаємодією їх з валентними електронами, які зв'язують іони в кристалічній решітці.
3. Гомогенне утворення зародків при кристалізації
В залежностівід умов протікання розрізняють два типи процесу кристалізації: гомогенний, який розпочинається при відсутності в рідині твердих частинок, та гетерогенний, який проходить в присутності твердих частинок.
При гомогенному процесі кристалізації для утворення перших твердих частинок потрібно затратити деяку кількість енергії на розрив рідини проти сил поверхневого натягу. Таким чином, гомогенний процесс визначається двома факторами: зменшенням внутрішньої енергії при утворенні з рідини твердих частинок та затратами енергії на їх утворення в рідині. В залежності від того, яка енергія буде переважати і визначається можливість протікання процессу кристалізації.