Кристаллизация металлов. Кристаллизация – это переход жидкости в твердое (кристаллическое) состояние

Кристаллизация – это переход жидкости в твердое (кристаллическое) состояние. Как всякий спонтанный процесс, кристаллизация протекает при термодинамических условиях, обеспечивающих снижение энергии Гиббса системы.

Кристаллизация складывается из двух элементарных процессов – зарождение центров кристаллизации и роста кристаллов из этих центров. Скорость каждого из процессов зависит от степени переохлаждения (п) жидкости относительно равновесной температуры, т.е. температуры, при которой энергии Гиббса жидкого и кристаллического состояний равны. При п = 0 образование зародышей кристаллов (центров кристаллизации) невозможно, поскольку равен нулю движущий фактор процесса (разность энергий Гиббса жидкого и твердого состояний). С увеличением переохлаждения эта разность растет, вызывая увеличение скорости возникновения центров (числа центров – ч.ц.) и скорости роста кристаллов (с.к.). Однако, с увеличением п снижается диффузионная подвижность атомов, что вызывает торможение обоих элементарных процессов. При значительном переохлаждении атомы становятся столь малоподвижными, что кристаллизация полностью подавляется.

При небольших значениях п (при малых величинах ч.ц. и больших с.к.) образуются крупнозернистые структуры. С увеличением переохлаждения структуры измельчаются (ч.ц. возрастает быстрее, чем с.к.).

От степени переохлаждения зависит критический размер зародыша, т.е. такой минимальный размер, при котором рост зародыша сопровождается снижением энергии Гиббса системы. Зародыши мельче критического к росту не способны и растворяются в жидкости. Чем больше степень переохлаждения жидкости, тем меньше критическая величина зародыша.

При кристаллизации кристаллы, окруженные со всех сторон жидкостью, имеют более или менее правильную геометрическую форму. При столкновении растущих кристаллов форма нарушается, становится неправильной, так как рост граней на участках соприкосновения прекращается. Такие искаженные кристаллы называют кристаллитами или зернами. Таким образом, форма и размер образовавшихся в результате кристаллизации зерен определяются условиями столкновения растущих кристаллов.

В реальных условиях форма и размер образующихся кристаллов, помимо условий столкновения, зависят от направления и скорости отвода теплоты, температуры жидкого металла, вида и количества примесей (при росте кристаллов на частицах примесей, играющих роль готовых центров, образование зародышей называют гетерогенным в отличие от гомогенного – самопроизвольного образования). Нередко при кристаллизации возникают разветвленные древовидные кристаллы, называемые дендритами.