II. Формирование структуры металла при кристаллизации.

1. Какое условие необходимо для протекания процесса кристаллизации?

Переход металла из жидкого или парообразного состояние в твердое с образованием кристаллической структуры называется первичной кристаллизайией.

Образование новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе называется вторичной кристаллизацией. Процесс кристаллизации состоит из двух одновременно идущих процессов – зарождения и роста кристаллов.

Кристаллизация протекает в условиях, когда система переходит к термодинамически более устойчивому состоянию с минимумом свободной энергии.

Температура, при которой термодинамический потенциал вещества в твердом и жидком состоянии равны, называется равновесной температурой кристаллизации. Кристаллизация происходит ниже равновесной температуры. Плавление – процесс, обратный кристаллизации, происходит при температуре выше равновесной. Разница между реальными температурами плавления и кристаллизации – температурный гистерезис. Разница между равновесной и реальной температурой кристаллизации – степень переохлаждения. Устойчивые группировки атомов (их расположение совпадает с положением в кристаллической, и они обладают минимум свободной энергии) – центры кристаллизации (зародыши). Кристаллизация характеризуется следующими параметрами влияющими на ее микроструктуру и мех. свойства: температура кристаллизации, степень переохлаждения, скорость и направление охлаждения, наличие и количество зародышей, скоростью и направлением роста зерен.

2. Чем отличается гомогенное образование зародышей от гетерогенного.

Гомогенный – самопроизвольный процесс образования зародышей.

Гетерогенный – введение в расплавленный раствор готовой кристаллической решетки из того же материала (одной затравки в случае взращивания моно кристалла, и модификаторов для получения мелкозернистой и прочей улучшенной структуры).

При несамопроизвольной кристаллизации роль зародышей могут играть и стенки формы (они часто становятся центами кристаллизации и не только из сродства материала но из за большего отвода тепла).

3. Как получить мелкое зерно в литом металле.

Мелкое зерно в литом металле получается вследствие увеличения количества зародышей (в том числа введением модификаторов), и очень большой скоростью охлаждения (но достаточной для кристаллизации очень большие скорости могут привести к аморфной структуре) литого метала (желательно одинаковой во всех направлениях для получения равновесной структуры)

4.Может ли происходить рост кристаллов без образования двумерного зародыша.

Рост зародышей возможен только при условии, если они достигли определенной величины, начиная с которой их рост ведет к уменьшению энергии Гиббса. Минимальный размер зародыша R_К, способного к росту при данных температурных условиях, называется критическим размером зародыша, а сам зародыш критическим, или равновесным.

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 жидкости.         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 выступам, поэтому образование двумерного зародыша не требуется.

5. Когда процесс кристаллизации протекает быстрее – при небольшой, большой и очень большой степени переохлаждения?

С увеличением степени переохлаждения, критический размер зародыша уменьшается, увеличивается их количество. Скорость процесса и окончательный размер кристаллов при затвердевании определяется соотношением между скоростью образования центров кристаллизации и скоростью роста.