Кристаллизация металлов

Всякое вещество может находится как минимум в трех агрегатных состояниях.

Переход металла из жидкого или газообразного состояния в твердое с кристаллической структурой называется кристаллизацией.

Процесс кристаллизации происходит при определенных условиях:

- температура

- давление

Рассмотрим термодинамические условия кристаллизации.

Энергетическое состояние любой системы характеризуется запасом внутренней энергии, которая складывается из энергии движения элементарных частиц, внутри ядерной энергии, энергии упругих искажений кристаллической решетки и других видов энергии.

Свободной энергией является та часть внутренней энергии, которая в изотермических условиях может быть превращена в работу.

Согласно второму закону термодинамики любая система стремится к минимально свободной энергии.

Самопроизвольная кристаллизация так же обусловлена стремлением металла, как системы, к минимуму свободной энергии.

С повышением температуры свободная энергия (энергия Гиббса) (G) твердой и жидкой фазы понимаются с разной скоростью.

Температура, при которой энергия Гиббса жидкой и твердой фаз равны, называется равновесной температурой кристаллизации.

G_ж(Т₀)= G_тв(Т₀)

При равновесной температуре кристаллизации, но процесс кристаллизации не идет, т.к. отсутствует термодинамический стимул кристаллизации (стремление системы к понижению энергии).

Для того чтобы началась кристаллизация, необходимо обеспечить разницу энергий Гиббса жидкой и твердой фазы.

Температура при которой происходит кристаллизация – действительная или фактическая температура кристаллизации.

ΔТ=Т₀ –Т

Разница между равновесной и фактической температурой кристаллизации называется степень переохлаждения. Поскольку энергия Гиббса твердой фазы при любой температуре ниже Т₀ меньше энергии Гиббса жидкости кристаллизация будет проходить при любой температуре ниже Т₀.

Жидкий металл обладает большей внутренней энергией, чем твердый, поэтому при кристаллизации выделяется тепло. Когда кристаллизуется чистый металл отвод теплоты вследствие охлаждения плотностью компенсируется теплотой кристаллизации, поэтому на кривой охлаждения координатах температуры, времени процесса кристаллизации соответствует горизонтальный участок.

Степень переохлаждения зависит от скорости охлаждения ΔТ₁< ΔТ₂< ΔТ₃

Процесс кристаллизации состоит из 2-х параллельно протекающих процессов:

зарождение кристалла

рост кристалла

В.№7 Кристаллизация металлов как совокупность процессов зарождения и роста центров кристаллизации. Понятие центра кристаллизации и критического размера зародыша. Изменение свободной энергии системы в зависимости от размера зародыша. Влияние степени переохлаждения на скорость зарождения центров кристаллизации и линейную скорость роста зародышей.