§ 10 Механізм процесу кристалізації.

Процес кристалізації, як уперше встановив в 1878 р. Д. К. Чернов, починається з утворення кристалічних зародків (центрів кристалізації) і триває в процесі росту їхнього числа й розмірів.

У рідкому стані атоми речовини, внаслідок теплового руху, переміщаються безладно. У той же час у рідині є угруповання атомів невеликого об'єму, у межах яких розташування атомів речовини багато в чому аналогічно їхньому розташуванню в решітці кристала. Ці угруповання нестійкі, вони розсмоктуються й знову з'являються в рідині. При переохолодженні рідини деякі з них, найбільш великі, стають стійкими й здатними до росту. Ці стійкі угруповання атомів наз. центрами кристалізації (зародыша-ми) .

Зародки, що виникають у процесі кристалізації, можуть бути різної величини. Ріст зародків можливий тільки за умови, якщо вони досягли певної величини, починаючи з якої їхній ріст веде до зменшення вільної енергії.

У процесі кристалізації вільна енергія системи, з одного боку, зменшується, внаслідок переходу деякого об'єму рідкого металу у твердий, а з іншого боку, зростає в результаті утворення поверхні роздягнула з надлишковою поверхневою енергією.

Мінімальний розмір зародка, здатного до росту при даних температурних умовах, наз. критичним розміром зародка, а сам зародок критичним, або рівноважним.

При температурі, близької до T_П.До розмір критичного зародка повинен бути дуже великий і ймовірність його утворення дуже мала.

Зі збільшенням ступеня переохолодження величина f зростає, авеличина поверхневого натягу на границі роздягнула фаз змінюється незначно.

Зі збільшенням ступеня переохолодження (або зі зниженням температури кристалізації) розмір критичного зародка зменшується й буде менше робота, необхідна для його утворення. У зв'язку із цим, зі збільшенням ступеня переохолодження, коли стають здатними до росту зародки всі меншого розміру, сильно зростає число зародків або швидкість їхнього утворення.

Ріст зародків кристалізації відбувається в результаті переходу атомів з переохолодженої рідини до кристалів. Кристал росте послойно, при цьому кожний шар має одноатомну товщину.

Поки, що утворилися кристали, ростуть вільно, вони мають більш-менш правильну геометричну форму. Однак при зіткненні зростаючих кристалів їхня правильна форма порушується, тому що в цих ділянках ріст граней припиняється. Ріст триває тільки в тих напрямках, де є вільний доступ “живильної” рідини. У результаті зростаючі кристали, що мали спочатку геометрично правильну форму, після затвердіння одержують неправильну зовнішню форму й тому наз. кристаллитами або зернами.

У зростаючому кристалі завжди є дислокації. У місці виходу на поверхню гвинтової дислокації є сходинка, до якої легко приєднуються атоми, що надходять із рідини.

§ 11. Число центрів кристалізації й швидкість

росту кристалів. Величина зерна.

Швидкість процесу й остаточний розмір кристалів при затвердінні визначається співвідношенням швидкостей росту кристалів і утворення центрів кристалізації.

Швидкість утворення зародків виміряється числом зародків, що утворяться в одиницю часу в одиниці об'єму 1/див³ з (1 мм^-3 з^-1) ч. з.

Швидкість росту зародків – збільшенням ливарного розміру зростаючого кристала в одиницю часу (мм/с) с.р.

Чим більше швидкість утворення зародків і чим більше швидкість їхнього росту, тим швидше протікає процес кристалізації. Обидва процеси пов'язані з переміщенням атомів і залежать від температури.

Рис. Схема залежності ч. з. і с. р., f і v (середньої швидкості від кристалізації) від ступеня переохолодженняt.

При рівноважній температурі кристалізації Т_П.К. число зародків і швидкість росту рівна 0, тому кристалізація не відбувається. При збільшенні ступеня переохолодження швидкість утворення зародків і швидкість їхнього росту зростають, при певному ступені їхнього переохолодження досягає максимуму, після чого знижуються. Зі збільшенням ступеня переохолодження швидкість утворення зародків зростає швидше, ніж швидкість їхнього росту.

Для металів, які у звичайних умовах кристалізації не схильні до більших переохолоджень, як правило, характерні висхідні галузі кривих. Це значить, що при невеликих величинах ступеня переохолодження, коли великий розмір критичного зародка, а швидкість утворення зародків мала, при затвердінні формується крупнокристаллическая структура.

Невеликі ступені переохолодження досягаються при заливанні рідкого металу у форму з низькою теплопровідністю (земляна, шамотова) або в підігріту металеву форму.

Збільшення ступеня переохолодження відбувається при заливанні рідкого металу в холодні металеві форми, а також при зменшенні товщини стінок виливка. Оскільки при цьому швидкість утворення зародків збільшується більш інтенсивно, ніж швидкість їхнього росту, виходять більше дрібні кристали.

Величина зерна перебуває в наступній залежності від числа зародків і швидкості росту:

Розмір зерна металу сильно впливає на його механічні властивості. Ці властивості, особливо в'язкість і пластичність, вище, якщо метал має дрібне зерно.

Величина зерна залежить не тільки від ступеня переохолодження, але також і від температури нагрівання й розливання рідкого металу, його хімічного складу й особливо присутності в ньому сторонніх домішок.