6. Кристаллизация.

Кристаллизация — процесс фазового перехода вещества из жидкого состояния в твёрдое кристаллическое с образованием кристаллов. Фазой называется однородная часть термодинамической системы отделённая от других частей системы(других фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав, структура и свойства вещества изменяются скачками.

Кристаллизация — это процесс выделения твёрдой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов, в химической промышленности процесс кристаллизации используется для получения веществ в чистом виде. Кристаллизация начинается при достижении некоторого предельного условия, например, переохлаждения жидкости или перенасыщения пара, когда практически мгновенно возникает множество мелких кристалликов — центров кристаллизации. Кристаллики растут, присоединяя атомы или молекулы из жидкости или пара. Рост граней кристалла происходит послойно, края незавершённых атомных слоев (ступени) при росте движутся вдоль грани. Зависимость скорости роста от условий кристаллизации приводит к разнообразию форм роста и структуры кристаллов (многогранные, пластинчатые, игольчатые, скелетные, дендритные и другие формы, карандашные структуры и т. д.). В процессе кристаллизации неизбежно возникают различные дефекты.

7. Закономерности процесса кристаллизации

Кристаллическое состояние – это ТВ состояние, с образованием в материале кристаллов. Но в тв состоянии могут и не иметь закономерного расположения атомов. Аморфное состояние – сильно загустевшая жидкость. Оно свойственно для немеет материалов (стекло). Нет постоянной темр затвердевания.

Термодинамика процесса кристаллизации:

F – свободная энергия системы; 1 – изменение свободной энергии в тв фазе; 2 – изменение свободной энергии в жидкой фазе: T_S – теоретическая температура кристаллизации.

Положения: 1. Любой самопроизвольно протекающий процесс идет в сторону уменьшения запаса энергии; 2. Чем меньше свободной энергии, тем устойчивее термодинамическое состояние.

При T_S ничего протекать не может.

Процесс кристаллизации начнется только после опр переохлаждения (∆T₀). ∆T₀ – интервал метастабильности расплава.

Чем больше переохлаждение, тем термодинамически в большей степени ускорится процесс кристаллизации, следовательно уменьшается диффузионная подвижность атомов, следовательно диффузионный фактор должен тормозить процесс.

Процесс кристаллизации состоит из двух параллельно протекающих процессов: 1. Образование частиц твердой фазы в жидкой фазе (процесс образования кристаллических зародышей); 2. Процесс идет, пока полностью не исчезнет жидкая фаза.

1 – изменение скорости кристаллизации; 2 – изменение скорости роста; ∆t- величина переохлаждения; ∆t₀ – интервал метастабильности; ∆t₁ – образуется мало центров кристаллизации, но скорость их роста очень высокая. В этих условиях должна быть крупнозернистая структура;

∆t₂ – Образуется много центров кристаллизации, но скорость их роста мала. В таких условиях мелкозернистая структура.

Увеличение переохлаждения влияет на увеличение скорости охлаждения, поэтому при медленном охлаждении после кристаллизации крупнозернистая структура, а при быстром – мелкозернистая.

Если переохл огромное, больше чем ∆t₃, то кристаллизация не возможна, но материал будет в тв состоянии, но аморфном. Для металлических материалов аморфное состояние достигнуть трудно (нужны огромные скорости охлаждения).

Св-ва аморфных материалов очень сильно отличаются от св-в кристаллических. Как правило, выше твердость и прочность. Неметал материалы в аморфном состоянии применяются в огромных масштабах.