Механізм і закономірності кристалізації металів.
При відповідному зниженні температури в рідкому металі починають утворюватися кристалики – центри кристалізації або зародки. Для початку їхнього росту необхідне зменшення вільної енергії металу, у противному випадку зародок розчиняється.
Мінімальний розмір здатного до росту зародка називається критичним розміром, а зародок – стійким.
Перехід з рідкого стану в кристалічне вимагає витрати енергії на утворення поверхні роздягнула рідина - кристал. Процес кристалізації буде здійснюватися, коли виграш від переходу у твердий стан більше втрати енергії на утворення поверхні роздягнула. Залежність енергії системи від розміру зародка твердої фази представлена на мал.
Зародки з розмірами рівні і більшими критичного ростуть зі зменшенням енергії й тому здатні до існування.
Залежність енергії системи від розміру зародка твердої фази
Модель процесу кристалізації
Центри кристалізації утворяться у вихідній фазі незалежно друг від друга у випадкових місцях. Спочатку кристали мають правильну форму, але в міру зіткнення й зрощення з іншими кристалами форма порушується. Ріст триває в напрямках, де є вільний доступ живильного середовища. Після закінчення кристалізації маємо полікристалічне тіло.
Якісна схема процесу кристалізації може бути представлена кількісно кінетичній кривій (мал.3.5).
Рис. Кінетична крива процесу кристалізації
Процес спочатку прискорюється, поки зіткнення кристалів не починає перешкоджати їхньому росту. Об'єм рідкої фази, у якій утворяться кристали зменшується. Після кристалізації 50 % об'єму металу, швидкість кристалізації буде вповільнюватися.
Таким чином, процес кристалізації складається з утворення центрів кристалізації й росту кристалів із цих центрів.
У свою чергу, число центрів кристалізації (ч.ц.) і швидкість росту кристалів (с.р.) залежать від ступеня переохолодження.
Рис. Залежність числа центрів кристалізації (а) і швидкості росту кристалів (б) від ступеня переохолодження
Розміри кристалів, що утворилися, залежать від співвідношення числа центрів, що утворилися, кристалізації й швидкості росту кристалів при температурі кристалізації.
При рівноважній температурі кристалізації ТS число центрів, що утворилися, кристалізації й швидкість їхнього росту рівняються нулю, тому процесу кристалізації не відбувається.
Якщо рідина переохолодити до температури, що відповідає т.а, то утворяться крупні зерна (число центрів, що утворилися, невелике, а швидкість росту - більша).
При переохолодженні до температури відповідної т.в – дрібне зерно (утвориться велика кількість центрів кристалізації, а швидкість їхнього росту невелика).
Якщо метал дуже сильно переохолодити, то число центрів і швидкість росту кристалів дорівнюють нулю, рідина не кристалізується, утвориться аморфне тіло. Для металів, що володіють малою схильністю до переохолодження, експериментально виявляються тільки висхідні галузі кривих.