Кристаллизация металлов и сплавов Кристаллизация металлов из жидкого состояния

Всякое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном.

Газ Жидкость Твердое тело

В газах отсутствует закономерность в расположении частиц. Твердые кристаллические тела имеют правильное строение, при котором атомы и ионы находятся в узлах кристаллических решеток (ближний порядок), а отдельные ячейки и блоки определенным образом ориентированы по отношению друг к другу (дальний порядок). В жидком металле атомы не расположены хаотично, как в газообразном состоянии, и в то же время в их расположении нет той правильности, которая характерна для твердого кристаллического тела. В жидкостях определенная ориентировка распространяется лишь на небольшое число атомов, образующих так называемые флуктуации. Таким образом, для жидкостей характерен только ближний порядок расположения атомов.

Переход металла из жидкого состояния в твердое при определенной температуре называется кристаллизацией.

Вследствие интенсивного теплового движения атомов ближний порядок динамически неустойчив. При охлаждении жидкости подвижность атомов падает, и вблизи температуры плавления образуются группировки атомов, в которых атомы упакованы, как в кристаллах. Эти группировки являются центрами кристаллизации или зародышами. Такие микрообъемы с правильным расположением атомов, возникнув, могут существовать некоторое время, затем рассасываться и возникать вновь в другом элементарном объеме жидкости. С понижением температуры степень ближнего порядка и размер таких микрообъемов возрастают. Итак, при температурах, близких к температуре плавления, в жидком металле возможно образование небольших группировок (их называют фазовыми флуктуациями), в которых атомы упакованы так же, как и в кристаллах.

Далее происходит рост зародышей в результате перехода атомов из переохлажденной жидкости к кристаллам. Кристалл растет послойно, при этом каждый слой имеет одноатомную толщину.

Механизм кристаллизации

При охлаждении происходит переход стали из жидкого состояния в твердое. Образуется большое число центров кристаллизации, зарождение кристаллов (первая стадия) и дальнейший их рост (вторая стадия).

С увеличением степени переохлаждения возрастает число центров кристаллизации, образующихся в единицу времени. Вокруг образовавшихся центров кристаллизации начинают расти кристаллы. Одновременно в жидкой фазе образуются новые центры кристаллизации.

До тех пор, пока формирующийся вокруг центра кристаллизации кристалл окружен жидким расплавом металла, он имеет правильную геометрическую форму, но при столкновении и срастании кристаллов их правильная форма нарушается, и образуются так называемые кристаллиты – зерна. Рост продолжается только в тех направлениях, где есть свободный доступ «питающей» жидкости. Взаимным ростом кристаллов и объясняется неправильная форма зерен.

Зерно – это кристалл неправильной формы, выросший из одного зародыша. Соседние зерна по своему кристаллическому строению имеют неодинаковую ориентировку решеток. Граница между зернами представляет собой узкую переходную зону шириной 5-10 атомных расстояний с нарушенным порядком расположения атомов. В граничной зоне кристаллическая решетка одного зерна переходит в решетку другого зерна. Неупорядоченное строение переходного слоя усугубляется скоплением в этой зоне дислокаций и повышенной концентрацией примесей.