Кинетика кристаллизации чистых металлов.
С
корость
кристаллизации определяется числом
зарождающихся центров кристаллизации
n и скоростью их
роста m . В отсутствии
переохлаждения m,n=0.
По мере увеличения степени переохлаждения,
происходит увеличение числа центров
кристаллизации и скорости их роста,
причем число n
увеличивается быстрее m.
Это связано с тем, что с увеличением
степени переохлаждения уменьшается
критический размер зародыша и их
количество. Однако с увеличением степени
переохлаждения уменьшается скорость
диффузионных процессов, контролирующих
рост зародыша. Практически процесс
кристаллизации осуществляется по
восходящим ветвям. Нисходящие ветви не
реализуются, т.к. металл кристаллизуется
при постоянной температуре.
В
озможное
существования металлов в различных
кристаллизационных модификациях
называется полиморфизмом или
аллотропией. При
определенных условиях, атомы,
образующие кристаллическую решетку
одного типа, перестраиваются с образованием
кристаллической решетки другого типа.
По сути это кристаллизационный процесс,
т.к. перенастройка решетки из одного
типа в другой происходит при постоянной
температуре. Однако, т.к. этот процесс
имеет место в твердом состоянии его
называют перекристаллизацией. К
полиморфным металлам относятся: железо,
олово, титан, марганец, кобольт.
Диаграммы состояния.
Диаграммы состояния показывают изменения фазового состояния сплавов при изменении их состава и температуры, а также позволяют предсказывать свойства сплавов. Связь между составом сплава и его свойствами для различных типов диаграмм состояния впервые была установлена Н. С. Курнаковым и получила название закономерностей Курнакова.
При изоморфности кристаллических решеток, близости строения валентных электронных оболочек атомов и малой разнице в размерах атомов в твердом состоянии элементы образуют неограниченные твердые растворы.
Диаграммы состояния и зависимость
свойств от состава для случаев:
а), б) неограниченной растворимости
компонентов в твердом состоянии;
в), г) отсутствия растворимости компонентов
в твердом состоянии;
д), е) ограниченной растворимости
компонентов в твердом состоянии.
Верхняя линия на диаграмме состояния представляет собой геометрическое место точек начала кристаллизации или конца плавления линию ликвидус. Выше этой линии все сплавы находятся в однофазном жидком состоянии. Нижняя линия является геометрическим местом точек конца кристаллизации или начала плавления линия солидус. Ниже этой линии все сплавы также в однофазном твердом состоянии.
Ближний порядок — упорядоченность во взаимном расположении атомов или молекул в веществе, которая (в отличие от дальнего порядка) повторяется лишь на расстояниях, соизмеримых с расстояниями между атомами, то есть ближний порядок это наличие закономерности в расположении соседних атомов или молекул.
Ближним порядком в расположении атомов или молекул обладают, наряду с кристаллами,также аморфные тела и жидкости.
Дальний порядок — упорядоченность во взаимном расположении атомов или молекул в веществе (в жидком или твёрдом состоянии), которая (в отличие от ближнего порядка) повторяется на неограниченно больших расстояниях.
Дальним порядком в расположении атомов или молекул обладают, например, кристаллы.
Первичной кристаллизацией называется образование кристаллов в металлах (и сплавах) при переходе из жидкого состояния в твердое.
Вторичная кристаллизация - это изменение кристаллического строения металлов в твердом состоянии, это так называемая аллотропия металлов
Самопроизвольная кристаллизация обусловлена стремлением в-ва иметь более устойчивое состояние, характеризуемое уменьшением термодин. потенц. G. C повыш. t термодинамический потенц. в-ва как в тв., так и в жидком состоянии уменьшается. T, при которой термодинамические потенц. в-ва в тв. и жидком состояниях равны, наз. равновесной t кристаллизации. Кристаллизация происходит в том случае, если термодинамический потенц. в-ва в тв. состоянии будет меньше термодин. потенц. в-ва в жидком состоянии, т.е при переохлажд. жидкого метал.ла до t ниже равновесной. Образованию зародышей способствует флуктуации энергии, т.е. отклонения энергии группировок атомов в отдельных зонах жидкого метал.ла от некоторого среднего знач.. Размер образовавшегося зародыша зависит от величины зоны флуктуации.
Скорость процесса и окончательный размер кристаллов при затвердевании опред-ся соотношением между скоростью образования центров кристаллизации и скоростью роста. Первая измеряется числом зародышей, образующихся в единицу врем. в единице объёма, вторая — увеличением лин. размера растущего кристалла в единицу врем.. Оба процесса связаны с перемещениями атомов и зависят от врем..
Движущей силой кристаллизации является понижение свободной энергии системы. Если система может существовать в жидком и кристаллическом состоянии, то взаимосвязь свободной энергии от температуры F=U -TS имеет вид, представленный на рисунке 2.1. Кривая 1 описывает зависимость свободной энергии от температуры для жидкой фазы, а кривая 2 - для кристаллической. Температура То, при которой свободные энергии вещества в жидком и твердом состоянии равны, является теоретической температурой кристаллизации. При температуре выше То устойчива жидкая фаза, а ниже - кристаллическая фаза. Однако при этой температуре обе фазы устойчивы, следовательно, кристаллизация не может начаться, так как нет движущей силы. Более того, при случайном превращении жидкости в кристалл, появляется граница раздела фаз и энергия системы повышается на величину D f пов =S s, где S - площадь поверхности кристаллика (6 а2), s - удельная поверхностная энергия на границе жидкой и кристаллической фаз.. Кристаллизация начнется тогда, когда свободная энергия кристаллической фазы будет меньше свободной энергии жидкой фазы, т.е. при температуре ниже теоретической. При этом произойдет самопроизвольное уменьшение энергии на величину DF = Fж - Fкр на единицу объема вещества. Разность между теоретической и действительной температурами DТ=То-Т называется степенью переохлаждения, при наличии которой может начаться зарождение центров кристаллизации.
С изменением температуры свободная энергия для жидкого и твердого (кристаллического) состояния изменяется различно. Но для каждого металла есть такая температура, при которой свободные энергии жидкого и твердого состояний равны, металл в обоих состояниях находится в равновесии. Эта температура и называется теоретической температурой кристаллизации.
Степень переохлаждения — уровень охлаждения жидкого металла ниже температуры перехода его в кристаллическую (твердую) модификацию. С.п. необходима для компенсации энергии скрытой теплоты кристаллизации.
Процесс кристаллизации может протекать только при переохлаждении металла ниже равновесной температуры Тп. Разность между температурами Тп и Тк, при которых может протекать процесс кристаллизации, носит название степени переохлаждения:
ΔТ=Тп-Тк.
С увеличением скорости
охлаждения степень переохлаждения
возрастает (кривые
2,
3)
и процесс кристаллизации протекает при
температурах, лежащих значительно ниже
равновесной температуры кристаллизации
