Формирование структуры материалов при кристаллизации. Влияние скорости охлаждения на структуру и свойства

Переход металла из жидкого или парообразного состояния в твердое с образованием кристаллической струк­туры - первичная кристаллизация. Образование новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе -вторичная кристаллизация.

Процесс кристаллизации состоит из двух одновременно идущих процессов - зарождения и роста кристаллов. Кристаллы могут зарождаться самопроизвольно (самопроизвольная кристалли­зация) или расти на имеющихся готовых центрах кристаллизации (несамопроизвольная кристаллизация).

Самопроизвольная кристаллизация обусловлена стремлением вещества иметь более устойчивое состояние, характеризуемое уменьшением термодинамического потенциала G. С повышением температуры термодинамический потенциал вещества как в твердом, так и в жидком состоянии уменьшается.

Температура, при которой термодинамические потенциалы вещества в твердом и жидком состояниях равны, - равновесная температура кристаллизации. Кристаллизация происходит, если термодинамический потенциал вещества в твердом состоянии меньше, чем в жидком состоянии, т.е. при охлаждении жидкого металла до температур ниже равновесной.

При большом объеме жидкого металла выделяющаяся при кристаллизации теплота повышает температуру практически до равновесной (а); при малом объеме металла выделяющейся теплоты недостаточно и кристаллизация происходит с переохлаждением по сравнению с равновесной температурой (б).

Разница между равновесной (T_s) и реальной (Т_n) температурой кристаллизации - степень переохлаждения ΔT (зависит от природы металла, увеличивается с повышением чистоты металла и с ростом скорости охлаждения).

В жидком состоянии атомы вещества вследствие теплового движения перемещаются беспорядочно. В то же время в жидкости имеются группировки атомов небольшого объема, в пределах которых расположение атомов вещества во многом аналогично их расположению в решетке кристалла. Эти группировки неустойчивы. При переохлаждении жидкости наиболее крупные из них становятся устойчивыми и способными к росту. Это - центры кристаллизации (зародышами).

Появление центров изменяет свободную энергию системы ΔW_общ. С одной стороны, при переходе жидкости в кристаллическое состояние термодинамический потенциал уменьшается на ΔG_υ , с другой стороны, общая энергия увеличивается, вследствие появления поверхности раздела между жидкостью и кристаллическим зародышем., на величину, равную Sσ: ΔG_общ. = - VΔG_υ + Sσ

Если принять, что зародыш имеет форму куба с ребром а, то выразим объем и площадь поверхности куба

V=a³ S= 6 a²

где V-объем зародыша; S-поверхность зародыша