Формирование структуры металлов и сплавов при кристаллизации

- где точка пересечения графиков есть равновесная температура.

Для каких-то данных условий процесс кристаллизации будет происходить при какой-то температуре Тк, вследствие того, что мы будем иметь выигрыш в свободной энергии.

Разность между равновесной температурой и реальной температурой кристаллизации называется степенью переохлаждения

Процесс перехода металла из жидкого в кристаллическое состояние можно описать с помощью кривых охлаждения в координатах «температура»/«время». Величина степени переохлаждения зависит от скорости охлаждения.

При охлаждении с большей скоростью кривая будет более «крутой».

Процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов:

1) Образование «зародышей» (центров кристаллизации)

2) Рост кристаллов из образовавшихся центров кристаллизации

Механизм самопроизвольного образования центров кристаллизации. В жидком металле имеет место ближний порядок, т.е. упорядоченное расположение атомов, распространяющиеся на небольшое расстояние. Вследствие тепловой подвижности атомов ближний порядок неустойчив. При температурах, близких к температуре кристаллизации, происходит образование участков, в которых атомы расположены так же, как в кристаллах. Данные группировки называются фазовыми флуктуациями. При определённых условиях фазовые флуктуации могут стать центрами кристаллизации. Для этого фазовая флуктуация должна иметь размер больше критического.

V = объём фаз. дол.

f = разность свободных энергий жидкого и твёрдого состояния

S = суммарная величина поверхности раздела

Сигма – поверхностное натяжение

Минимальный размер зародыша (Rk) – способного к росту при данных температурных условиях называется критическим размером зародыша, а сам зародыш – критическим или равновесным. Минимальный размер зародыша зависит от степени переохлаждения. Т.к. разность или выигрыш в свободной энергии при увеличении степени переохлаждения возрастает, то критический размер зародыша – уменьшается.

С увеличением степени переохлаждения размер критического зародыша уменьшается, что приводит к резкому увеличению числа центров кристаллизации. Все зародыши, размером меньше критического в результате теплового движения атомов растворяются в жидкой фазе.

С целью получения мелкозернистой структуры в расплавы вводят вещества, называемые модификаторы. Бывают модификаторы первого и второго рода:

1) Модификаторы первого рода - труднорастворимые вещества, играющие роль готовых центров кристаллизации

2) Модификаторы второго рода - поверхностно активные вещества (ПАВ), которые адсорбируются на поверхности и в центрах кристаллизации и препятствуют его растворению в жидком металле