Загальні відомості. Процес утворення твердої кристалічної фази з рідкого стану називається первинною кристалізацією

Процес утворення твердої кристалічної фази з рідкого стану називається первинною кристалізацією.

Тверда кристалічна фаза характеризується певним закономірним розміщенням атомів у просторі – просторовою кристалічною решіткою.

Прагнення атомів (іонів) металу розташуватися можливо ближче друг до друга приводить до того, що метали мають більше високу щільність, чим неметали. Про конкретний спосіб розміщення атомів у кристалі дає нам подання про елементарний кристалічний осередок. Більшість металів мають одну із трьох типів решіток: об’ємноцентрована кубічна (ОЦК), гранецентрована кубічна (ГЦК) і гексагональна щільно упакована (ГПУ).

Перекристалізація деяких металів і сплавів у твердому стані під час нагрівання та охолодження називається вторинною кристалізацією.

Будь-який фазовий стан речовини (рідкої або твердої) характеризується певним значенням вільної енергії, яка залежить від температури, що видно з рис.1.1.

Рисунок 1.1 - Зміна вільної енергії рідкого й кристалічного стану залежно від температури (визначення теоретичної температури кристалізації

Згідно із законами термодинаміки стійким фазовим станом за певних зовнішніх умовах буде той, який володіє найменшою вільною енергією. Тому при температурах вище за температуру плавлення (Т_S) стійким станом буде рідкий, а при температурах нижчих Т_S– твердий. При Т_S обидві фази будуть стійкими.

Для того, щоб процес кристалізації почався, необхідно деяке переохолодження (∆T).

Механізм процесу кристалізації складається із двох елементарних процесів або двох стадій.

Перший процес полягає в зародженні дрібних кристалів, їх називають зародками або центрами кристалізації.

Друга стадія процесу складається з росту кристалів із цих центрів.

Встановлено, що кількість центрів кристалізації, які самовільно зароджуються в металі, й швидкість росту кристалів залежить від ступеня переохолодження системи, яка, в свою чергу, залежить від швидкості охолодження.

Фактори, що впливають на величину кристалів (величину зерна в металі)

1. Швидкість охолодження (V_ох °/с, °/хв). Швидкість охолодження легко задати всіляку залежно від охолоджувального середовища й різниці (градієнта) речовини, що охолоджується, і середовища.

2. Ступень переохолодження. Під розміром або ступенем переохолодження розуміється різниця між теоретичними й практичною (фактичної) температурами кристалізації

∆ Т = T_S – Т_Пр

Теоретична температура кристалізації - це така температура, при якій рівень вільної енергії рідкого та твердого стану однакові (рис. 1.2). Згідно із законами термодинаміки стійким фазовим станом речовини при певних зовнішніх умовах буде те, що має найменшу вільну енергію. Тому при температурі.вище Т_S стійким станом буде рідке, a нищу Т_S - тверде. Ступінь переохолодження залежить від швидкості охолодження. Чим більше швидкість охолодження, тим більше ступінь переохолодження (∆ Т) (рис. 1.2).

Рисунок 1.2 - Криві охолодження при різних швидкостях охолодження (сутність переохолодження)

3. Кінцевими факторами, що визначають величину кристалів є швидкість росту кристалів (ш к.,) та швидкість зародження центрів кристалізації (ш. ц.).

Швидкість росту кристалів є швидкість збільшення лінійних розмірів кристала в одиницю часу (мм/сек.; мм/хв). Число центрів, що зароджуються (ч.ц.) має розмірність 1/мм³ • сек. (число центрів кристалізації, що виникають у 1 мм³ за одну секунду). Вчений Тамман установив, що обидва ці параметра залежать від ступеня переохолодження (рис.1.3).

Рисунок 1.3 - Залежність V_кр та ч.ц. від ступеня переохолодження (∆Т)

Зі збільшенням переохолодження значення ш.к. і ч.ц. зростають, досягають максимуму, а потім знижуються й при більших ступенях переохолодження падають до нуля. Розмір зерен, що утворилися, залежить від співвідношення величин ш. к. і ч.ц. при досягнутому ступені переохолодження. При малій ∆Т провідний фактор - швидкість кристалізації: виростає мало великих кристалів. При великий ∆Т провідним параметром стає ч.ц. - виростає дуже багато малих кристалів.

Вплив швидкості охолодження підтверджується і на практиці. Чим більша швидкість охолодження (наприклад виливка в охолоджувану водою металічну форму), тим дрібніше зерно. Таким чином, швидкістю охолодження можна значною мірою регулювати величину зерна.

Крім того, на процес кристалізації, розмір і форму кристалів впливають й інші фактори, а саме: сторонні неметалічні домішки, чужорідні тіла, газові включення, механічні дії, теплоємкість теплопровідність самого металу, температура металу, що заливають, і форми, способи заливання, стан поверхні виливниці та інші.

4. Вплив на процес кристалізації у техніці. Вплив швидкості охолодження підтверджується і на практиці. Чим більша швидкість охолодження та ступень переохолодження (наприклад виливка в охолоджувану водою металічну форму), тим дрібніше зерно. Таким чином, швидкістю охолодження можна значною мірою регулювати величину зерна.

Але, як показали численні дослідження, сторонні частки (наприклад, оксиди, нітриди) мають набагато більше значення для утворення центрів кристалізації, чим їхнє мимовільне зародження.

У зв'язку із цим у сьогоднішній час здрібнювання зерна проводять не шляхом зміни ступеня переохолодження, а шляхом штучного введення в метал часток, що служать центрами кристалізації. Цей метод широко використається при одержанні якісних виливків із чавуну, алюмінієвих і ін. сплавів. Такі добавки називаються модифікаторами, а процес зміни величини або форми металевих зерен - модифікацією.