2.4. Кристалізація металів

Процес переходу чистого металу з рідкого стану в твердий називається кристалізацією. Це перехід речовини із рідкого стану з невпорядкованим розташуванням атомів і молекул в твердий стан з упорядкованим розташуванням цих частинок.

Кристалізація проходить в тому випадку, коли цей процес термодинамічно вигідний, а саме коли він супроводжується зменшенням вільної енергії системи. При високих температурах величина вільної енергії металу менше в рідкому стані. Але з падінням температури положення міняється — величина вільної енергії металу стає менше в твердому стані, і метал твердіє. При цьому виділяється деяка кількість теплової енергії. Процеси кристалізації вивчають методами термічного аналізу, суть яких є в фіксації теплових процесів, які проходять в металі, і в побудові кривих охолодження і нагрівання.

Простий приклад для термічного аналізу складається з тигля, в якому знаходиться метал, що досліджується, термопари, зануреної одним кінцем в метал, і гальванометра, проградуйованого по температурній шкалі Цельсія. Коли необхідно побудувати криву охолодження, метал розплавляють, а потім починають його охолоджувати і фіксувати температуру через рівні проміжки часу. Температуру визначають по осі ординат, а час -по осі абсцис.

При температурному аналізі металу одержують криву охолодження з горизонтальною ділянкою (фіг. 2.5), який відповідає температурі кристалізації.

Фіг. 2.5. Схема кристалізації металу

Практично побудована крива охолодження дещо відрізняється від теоретичної. Це пов'язано із властивістю металів до переохолодження (фіг. 2.6).

Фіг. 2.6. Криві зміни температур в процесі затвердіння металу:

1- без переохолодження;

2-з переохолодженням.

Кристалізація починається при температурі, яка на величину А( нижче температури протікання кристалізації Після того, як почалася кристалізація, температура металу дещо підвищується за рахунок теплової енергії, яка виділяється до визначеної для кожного металу температури і

При температурі починається процес кристалізації металу, який продовжується деякий час від ґг до і2 (фіг. 2.5). Процес кристалізації починаєть¬ся з утворення найдрібніших твердих частинок - зародишів. Зародиші є центрами кристалізації. З них ростуть тверді кристали. До визначеного моменту кількість центрів кристалізації збільшується, і самі кристали ростуть до стикування один з одним, при цьому кількість рідкого металу весь час зменшується. Коли весь рідкий метал перетворюється в твердий, процес кристалізації закінчений, далі проходить охолодження уже твердого металу.

Будова сплаву залежить від характеру взаємодії компонентів, які його утворюють. Якщо компоненти утворюють розчин не тільки в рідкому стані, але і в твердому - це твердий розчин, Він однофазний (фіг. 2.7, а), має одну кристалічну решітку. Якщо атоми одного компонента частково заміщують атоми другого компонента в кристалічний решітці (2.7, б), то це твердий розчин заміщення. Якщо ж атоми одного компонента розміщуються між атомами другого компонента в кристалічній решітці (2.7, в), то це твердий розчин втілення.

Фіг. 2.7. Кристалічні решітки металів: