8 Процесс кристаллизации. Первичная и вторичная кристаллизация.

В зависимости от температуры любое вещество может быть в твердом, жидком или газообразном состоянии (фазе). Переход металла из жидкого или парообразного состояния в твердое с образованием кристаллической структуры называется первичной кристаллизацией. Образование новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе называют вторичной кристаллизацией. Фазовые превращения являются частным случаем общего закона природы – стремления любой системы к состоянию равновесия или, по крайней мере, к состоянию с меньшим запасом энергии. Процесс кристаллизации складывается из двух одновременно идущих процессов: зарождения и роста кристаллов. Если кристаллы зарождаются самопроизвольно, то такая кристаллизация называется самопроизвольной. Если кристалл растет на имеющихся готовых центрах кристаллизации, то такая кристаллизация называется несамопроизвольной.

Процесс кристаллизации начинается с образования центров кристаллизации (зародышей) и продолжается в процессе роста их числа и размеров. Центры кристаллизации образуются благодаря возможности появления в расплавленных металлах так называемых областей ближнего порядка. Установлено, что в расплавленных металлах координационное число не является постоянным. Вследствие движения и перемещения атомов в расплавленном металле в расплаве могут образовываться и существовать в какие-то промежутки времени устойчивые группировки атомов с координационным числом 11, 12 и даже 13 атомов. Эти области ближнего порядка при определенных условиях и становятся зародышами кристаллов.

Вторая стадия кристаллизации заключается в самопроизвольном росте зародившихся кристаллов. Рост зародышей кристаллов происходит как путем присоединения к нему отдельных атомов (или молекул), так и путем образования на его гранях зародышей новых фаз. Вследствие разной упаковки атомов не все грани кристалла растут с одинаковой скоростью.

9 Кривые охлаждения металлов и сплавов.

А ) металл

Б) сплав

В) аморфное тело

10 Твердые растворы внедрения и замещения.

Твердыми растворами называют фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других (или другого) компонентов располагаются в решетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры (периоды).

Таким образом, твердый раствор, состоящий из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу.

Существуют твердые растворы внедрения и твердые растворы замещения.

При образовании твердых растворов внедрения атомы растворенного компонента B раз­мещаются между атомами растворителя A в его кри­сталлической решетке. При образовании твердых рас­творов замещения атомы растворенного компонента B замещают часть атомов растворителя (компонент A) в его кристаллической решетке.

Рисунок 1 – Твердые растворы: а – замещения, б – внедрения

 

Поскольку размеры растворенных атомов отличают­ся от размеров атомов растворителя, то образование твердого раствора сопровождается искажением кристал­лической решетки растворителя.

Рисунок 2 – Искажения кристаллической решетки

в твердых растворах замещения:

 

а – атом растворенного компонента больше атома растворителя

б – атом растворенного компонента меньше атома растворителя

Твердые растворы замещения могут быть с ограни­ченной и неограниченной растворимостью. В твердых растворах с ограниченной растворимостью концентрация растворенного компонента возможна до определенных пределов.

В твердых растворах с неограниченной растворимо­стью возможна любая концентрация растворенного ком­понента (от 0 до 100%). Твердые растворы с неограни­ченной растворимостью образуются при соблюдении следующих условий: 1) у компонентов должны быть од­нотипные кристаллические решетки; 2) различие в атом­ных радиусах компонентов не должно превышать для сплавов на основе железа 9%, а для сплавов на основе меди 15%; 3) компоненты должны обладать близостью физико-химических свойств. Однако соблюдение этих свойств не всегда приводит к образованию твердых растворов замещения с неограниченной растворимостью. На практике, как правило, образуются твердые растворы с ограниченной растворимостью.

Твердые растворы внедрения могут быть только с ограниченной концентрации, поскольку число пор в решетке ограничено, а атомы основного компонента сохраняются в узлах решетки.

Твердые растворы замещения с неограни­ченной растворимостью на основе компонентов: Ag и Au, Ni и Cu, Mo и W, V и Ti, и т.д.

Твердые растворы замещения с ограни­ченной растворимостью на основе компонентов: Al и Cu, Cu и Zn, и т.д.

Твердые растворы внедрения: при растворении в металлах неметаллических элементов, как углерод, бор, азот и кислород. Например: Fe и С.