2.1. Особенности жидкого состояния металлов. Механизм и кинетика кристаллизации. Закономерности образования и роста кристаллов.

Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией.

Кристаллизация обусловлена тем, что новое состояние в новых условиях является энергетически более выгодным, т.е. обладает меньшим запасом свободной энергии. Процесс кристаллизации может протекать только при переохлаждении металла ниже равновесной температуры, так как в этом случае имеет место выигрыш в свободной энергии.

Степень переохлаждения Т=Т_п–Т_к

Процесс кристаллизации начинается с образования кристаллических зародышей (центров кристаллизации) и продолжается в процессе роста их числа и размеров.

Пока образовавшиеся кристаллы растут свободно, они имеют более или менее правильную геометрическую форму. Однако при столкновении растущих кристаллов их правильная форма нарушается, так как в этих участках рост граней прекращается. Рост продолжается только в тех направлениях, где есть доступ «питающей» жидкости. В результате кристаллы после затвердевания получают неправильную внешнюю форму и называются кристаллитами или зернами.

В жидком металле сохраняется лишь ближний порядок атомов. Микрообъемы с правильным расположением атомов, возникнув, могут существовать некоторое время, затем рассасываться и возникать вновь в другом элементарном объеме жидкости и т.д. С понижением температуры степень ближнего порядка и размер таких микрообъемов возрастают. При температуре, близкой к температуре плавления возможно образование группы атомов, которые упакованы так же, как в кристаллах – фазовые флуктуации. Наиболее крупные фазовые флуктуации превращаются в центры кристаллизации (зародыши).

Рост зародышей возможен только при условии, если они достигли определенной величины, начиная с которой их рост ведет к уменьшению свободной энергии. Минимальный размер зародыша R_к, который способен к росту при данных температурных условиях, называют критическим размером зародыша.

При прочих равных условиях скорость процесса кристаллизации и строение металла после затвердевания зависят от числа зародышей (ЧЗ), возникающих в единицу времени в единице объема (мм^-3с^-1) и скорости роста (СР) зародышей (или от скорости увеличения линейных размеров растущего кристалла в единицу времени (мм/с)).

При малых степенях переохлаждения (большое значение СР и малое ЧЗ) образуются немногочисленные крупные зерна, при большой степени переохлаждения образуется мелкозернистая структура.

Если удается очень сильно переохладить жидкость без кристаллизации, то СР и ЧЗ равны нулю; жидкость сохраняется незакристаллизовавшейся. Однако жидкие металлы мало склонны к переохлаждению и такого состояния достичь не могут. Такое состояние (загустевшей жидкости) является аморфным и характеризуется отсутствием определенной температуры плавления (кристаллизации). К переохлаждению склонны соли, силикаты, органические вещества.

2.2. Аморфные металлы. Полиморфные превращения в металлах.

Аморфное состояние характеризуется изотропией физических свойств, что обусловлено неупорядоченным расположением атомов и молекул. В отличие от кристаллического состояния переход из твердого аморфного состояния в жидкое происходит не при постоянной температуре, а постепенно. В аморфном состоянии находятся различные вещества: стекла, смолы, пластмассы и т.д.

Металлы – тела кристаллические. Атомы металлов упорядоченно расположены в пространстве и образуют кристаллическую решетку. Следует отметить, что многие металлы в зависимости от температуры могут существовать в разных кристаллических формах. Существование одного металла в нескольких кристаллических формах носит название полиморфизма или аллотропии.

Аллотропические формы обозначаются греческими буквами (a, b, g). Аллотропическая форма, существующая при самой низкой температуре, обозначается через a, следующая через b. Превращение одной аллотропической формы в другую при нагреве чистого металла сопровождается поглощение тепла и происходит при постоянной температуре (при охлаждении – тепло выделяется).

Известны полиморфные превращения для металлов:

Fe_aÛFe_g, Ti_aÛTi_g, Mn_aÛMn_bÛMn_gÛMn_d, Sn_aÛSn_b и др.

При 768°С остановка на кривой охлаждения железа связана не с перестройкой решетки, а с изменением магнитных свойств. Выше 768°С a-Fe немагнитно. Немагнитное a-Fe иногда называют b-Fe. 768 °С – точка Кюри.

Полиморфное превращение сопровождается скачкообразным изменением всех свойств металлов и сплавов: удельного объема, теплоемкости, теплопроводности, магнитных, механических и химических свойств и т.д.