1.2. Кристаллизация

Переход из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называют кристаллизацией. Для каждого металла имеется своя температура, при которой жидкость находится в термодинамическом равновесии с твердым веществом. Каждый чистый металл (не сплав) кристаллизуется при строго индивидуальной постоянной температуре. По окончании затвердевания металла температура его снова понижается.

Процесс кристаллизации состоит из двух стадий: зарождения кристаллитов (зародышей или центров кристаллизации) и роста кристаллов из этих центров. При переохлаждении сплава ниже температуры плавления Т_пл на многих участках жидкого металла под воздействием различных факторов образуются способные к росту зародыши. (Рис.1.3.). Образовавшиеся в расплаве вначале центры кристаллизации (Рис.1.3. а) растут сначала свободно и имеют более или менее правильную геометрическую форму. Затем возникают элементарные ячейки (Рис.1.3. б), вслед за этим начинается процесс разрастания элементарных ячеек (Рис.1.3. в), причем при соприкосновении растущих кристаллитов их правильная форма нарушается, так как на этих участках рост граней прекращается.

а. б. в г.

Рис.1.3. Последовательные этапы процесса кристаллизации металла

Рост кристаллов продолжается только в тех направлениях, где есть свободный доступ жидкого металла. И, наконец, при затвердевании образуются кристаллиты (Рис.1.3. г), т.е. определенная структура металла. После затвердевания кристаллиты будут иметь неправильную форму. Материал, состоящий из множества кристаллитов (зерен) называется поликристаллическим.

Каждый кристаллит может иметь правильную структуру, а друг по отношению к другу они могут быть расположены различным способом. Здесь играют роль и дефекты, и примеси, и др.

При определенных условиях можно получить материал с единой кристаллической решеткой – монокристалл.

Величина зерен зависит от числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов. Чем больше центров кристаллизации, тем меньше зерна металла. Чтобы получить мелкое зерно, создают искусственные центры кристал-лизации, Для этого в расплавленный металл вводят специальные вещества, называемые модификаторами. Модификаторами могут быть тугоплавкие соединения (карбиды, оксиды, иногда, например, при производстве стали добавляют титан, марганец, ванадий) В качестве модификаторов могут использоваться и поверхностно-активные вещества. Они растворяются в жидком металле и оседают на поверхности растущих кристаллов, образуя тонкий слой, что препятствует дальнейшему росту кристаллитов. Таким образом, форма растущих кристаллитов определяется составом сплава, наличием примесей, режимом охлаждения, а также условиями их касания друг с другом.

В металлах обычно механизм образования кристаллов носит дендритный характер (древовидный) характер (Рис.1.4.).

Дендритная кристаллизация характеризуется тем, что рост зародышей происходит с различной скоростью.

Рис.1.4.. Схема дендритного роста металла. 1,2,3, - направления роста (оси первого, второго и третьего порядка)

После образования зародышей их развитие идет в тех плоскостях и направлениях решетки, которые имеют наибольшую плотность упаковки и минимальное расстояние между ними (оси первого, второго и третьего порядка).

В этом направлении образуются длинные ветви кристалла. Затем от них начинается рост в других направлениях.