Формирование структуры металла при кристаллизации

Переход металла из жидкого состояния в твердое называется кристаллизацией. Кристаллизация протекает в условиях, когда система переходит к более устойчивому термодинамическому состоянию с меньшей свободной энергией Гиббса, т.е. когда энергия Гиббса кристалла меньше, чем энергия Гиббса жидкой фазы (рис. 1.8).

Если превращение происходит с небольшим изменением объема, то ,

где E – полная энергия, T – абсолютная температура, S – энтропия.

Из рис. 1.8 видно, что выше температуры T_п свободная энергия жидкого металла меньше, а ниже этой температуры устойчив твердый металл.

Рис. 1.8. Изменение энергии Гиббса G металла в жидком и твердом состоянии в зависимости от температуры (Тк – кристаллизации, Тп – плавления).

Температура плавления (T_п) показывает, что значения энергии Гиббса металла в жидком и твердом состоянии равны, т.е. соответствует температуре кристаллизации или плавления, при которой обе фазы могут существовать одновременно. Процесс кристаллизации развивается, если возникает разность энергии Гиббса ΔG, образующаяся вследствие меньшей энергии Гиббса твердого тела по сравнению с жидким.

Процесс кристаллизации, как впервые установил Д.К.Чернов, начинается с центров кристаллизации. При переохлаждении сплава ниже Т_пл в многих участках жидкого сплава образуются устойчивые, способные к росту кристаллические зародыши (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Схема кристаллизации металла.

Пока образовавшиеся кристаллы растут свободно, они имеют более правильную форму, но при столкновении растущих кристаллов их правильная форма нарушается, и после затвердевания получают неправильную форму и поэтому их называют кристаллитами или зернами. Теряя присущую кристаллитам правильную форму и на границах зерен ячейки кристаллических решеток оказываются недостроенными. Поэтому на границе зерен возникает много дефектов, типа вакансий, дислокаций, легкоплавких неметаллических примесей и пор, залегающих между зернами. В местах, где имеются направленный отвод тепла, близ границ формы, зерна получаются вытянутыми вдоль этого направления. Там, где направление отсутствует, зерна получаются равновесными.

Средний размер зерна при кристаллизации зависит от числа возникающих центров кристаллизации, скорости их возникновения и скорости роста. Чем мельче зерно, тем прочнее металл. Для получения мелкого зерна, металл модифицируют, т.е. в расплавленный металл вводят небольшое количество специальных добавок – модификаторов, которые в процессе кристаллизации металла, являются дополнительными центрами кристаллизации, что увеличивает общее количество центров, при этом увеличивается количество образующихся зерен, а их размеры уменьшаются.

Другой род модификаторов ограничивает рост зерна, располагаясь по границам, что приводит к измельчению зерен сплава.