1.2. Кристаллизация

Кристаллизация – процесс образования кристаллической решетки.

Чем объясняется существование при одних температурах жидкого, а при других – твердого(кристаллического) состояния? Почему этот переход осуществляется при строго определенной температуре?

Все самопроизвольно протекающие в природе превращения вызываются тем, что новое состояние является более устойчивым, обладает наименьшим запасом свободной энергии. Свободная энергия F – это та часть внутренней энергии, которая обратима и изменяется с температурой. При повышении температуры свободная энергия (F) уменьшается (рис. 1.4), причем неодинаково для жидкого и кристаллического состояния. Температура Т_s – равновесная или теоретическая температура кристаллизации. При этой температуре F_ж=F_тв. Для того, чтобы кристаллизация шла, надо охладить ниже Т_s. Степень переохлаждения «n» это разность между теоретической и реальной температурой кристаллизации: n=T_s - T_кр.

Рис. 1.4. Изменение свободной энергии жидкого и кристаллического состояния в зависимости от температуры.

Д.К. Чернов установил, что процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов:

1) Возникновение центров кристаллизации или зародышей.

2) Рост кристаллов вокруг этих центров.

Зависимость с.к. и ч.ц. от степени переохлаждения была изучена ученым Г. Тамманом и графически представлена на рис.1.5.

Рис. 1.5. скорость роста кристаллов (с.к.) и скорость зарождения центров кристаллизации (ч.ц.) в зависимости от степени переохлаждения (Т_s-T_кр.=n)

Выводы:

- при малых n (например, n₁) структура металла будет крупнозернистой, т.к. ч.ц. мало, а с.к. велика (высокая температура обусловливает подвижность атомов).

- при больших переохлаждениях (например, n₂) ч.ц. велико (критический размер зародыша уменьшается), а с.к. мала (уменьшается скорость диффузии), структура металла получится мелкозернистой.

Если охладить жидкость очень быстро, достигнув такого n, когда ч.ц=0 и с.к.=0, получим аморфное состояние (загустевшая жидкость). В настоящее время и металлические сплавы стали получать в аморфном состоянии (например, магнитные пленки), которое приводит к получению ряда уникальных свойств.

1.3. Модифицирование сплавов

Модифицирование – это искусственное регулирование размеров и формы зерен при введении в расплав веществ, которые называются модификаторами. Модификаторы обычно добавляют в малом количестве (не более 1%) перед разливкой в разливочный ковш или в формы (существует внутриформенное модифицирование).

Модификаторы делятся на две главные группы:

- модификаторы 1 рода – это поверхностно-активные вещества, находящиеся в атомарной смеси с затвердевающим металлом, которые адсорбируются на центрах кристаллизации и препятствуют их росту или запрещают рост каких-то граней кристалла. Эти модификаторы не только измельчают, но и могут изменить форму растущих кристаллов. Например, для чугуна это Mg, Ce, Y, для силуминов – Na, К, Li и др.

- модификаторы 2 рода – это твердые, мелкие, тугоплавкие, плавающие в расплаве частицы. Чаще эти вещества добавляют не в виде порошков, а так, чтобы модификатор в расплаве вступил в химическое взаимодействие с каким-то элементом и образовал мелкие тугоплавкие частицы с кристаллической решеткой, близкой к кристаллизующейся фазе. Такие частицы имеют более активную поверхность, чем готовые порошки, и являются очень активными центрами кристаллизации. Так, при добавлении Si в чугун образующийся SiO₂ имеет решетку, близкую графиту. Сталь модифицируют Ti, Мо, РЗМ, которые образуют карбиды или другие соединения.