Лекция №8 Механизм процесса кристаллизации
Скорость всего процесса кристаллизации определяется скоростью этих двух составляющих.
Установлено, что скорость роста кристаллов, а так же число зарождающихся в единицу времени кристаллов определяется степенью переохлаждения.
Видно, что обе зависимости представляют собой кривые с max. Увеличение с.к. и ч.ц. при малых степенях переохлаждения обусловлено тем, что в равновесной точке Ts подвижность атомов велика и, кроме того, велико влияние разности свободных энергий жидкого и кристаллических состояний.
Можно добиться при большом переохлаждении состояния, когда с.к. и ч.ц. станут равны нулю (из-за малой подвижности атомов, которые не успевают перестроиться из хаотического состояния в упорядоченное).
Размер кристаллов зависит от соотношения с.к. и ч.ц.(при больших с.к. и малых ч.ц. получаются крупные кристаллы, при малых с.к. и больших ч.ц. -мелкие). Следует отметить, что переход из жидкого состояния в твердое требует образование поверхности раздела, поэтому превращение происходит только тогда, когда выигрыш в энергии от перехода в более устойчивое состояние больше потерь, идущих на образование поверхности раздела. Другими словами, свободная энергия системы ∆F определяется как алгебраическая сумма двух членов, характеризующих поверхностную и обьемную энергию: ∆F=Sσ−V∆f, где S - поверхность раздела; σ - поверхностное натяжение; V - обьем; ∆f - разность свободных энергий.
∆F= 4πr2nσ-4/3 πr3n∆f ,
где
r-радиус новой фазы
n-число частиц новой фазы
Приведённый ниже график показывает зависимость изменения свободной
энергии системы от размера зародыша.
Каждой степени переохлаждения соответствует свой критический размер зародыша способного к росту: чем больше степень переохлаждения, тем меньше критический размер зародыша.
Однако материаловедам приходиться встречаться с еще одним энергетически обусловленным переходом. В некоторых случаях при уменьшении температуры или давления может оказаться, что для одного и того же металла устойчивой окажется новая решетка, а не та, которая была при другом давлении или температуре. Так, например, существует железо с решетками обьемноцентрированного и границентрированного кубов. В различных решетках кристаллизуется также олово, марганец, титан, и некоторые другие металлы. Существование одного металла в нескольких кристаллических состояниях получило название полиморфизма или аллотропии. Различные кристаллические формы одного и того же вещества называются полиморфными или аллотропическими модификациями. Т.к. большинство процессов, изучаемых материаловедением, идут при атмосферном давлении, то для практического материаловедения важна главным образом температурная аллотропия. Аллотропические формы обозначаются буквами греческого алфавита - α, β, γ и т.д. Явление полиморфизма основано на уже рассмотренном нами едином законе об устойчивости состояния с наименьшим запасом энергии. Температура, при которой происходит переход из одной модификации в другую, носит название температуры полиморфного (аллотропического) превращения. Так, железо имеет две температуры полиморфного превращения 910 и 1392 С.
Следует отметить, что при протекании полиморфного превращения на кривой нагрева или охлаждения фиксируется такая же остановка( площадка) как и в случае плавления или затвердевания. Для железа на кривой охлаждения наблюдается еще одна такая площадка. Она соответствует потере (при нагреве) или наоборот плавлению(при охлаждении) ферромагнитных свойств. Эта температура называется точкой Кюри. Важно, что магнитное превращение не является аллотропическим превращением и изменения кристаллической решетки при нем не происходит. Это главное, хотя и не единственное отличие магнитного превращения от аллотропического. Завершая этот раздел, хочу сказать, что теперь у нас есть тот минимальный объем знаний, который позволит нам изучать строение сплавов, т.е.той группы материалов, которую мы должны изучать в читаемом мной курсе.