Кристаллизация металлов и сплавов

При переходе металла из жидкого состояния в твердое образуются кристаллы. Такой процесс называют кристаллизацией.

Процесс кристаллизации металла можно рассматривать по кривым охлаждения, которые обычно получают опытным путем. Например, для чистого металла, охлаждаемого очень медленно, кривая охлаждения показывает, что, если металл находится в жидком состоянии, температура понижается почти равномерно. Если металл охладить до температуры плавления Тпл (точка а на кривой), то начинается кристаллизация и падение температуры прекращается, несмотря на непрерывную отдачу тепла окружающей атмосфере. Получаемый горизонтальный участок на кривой охлаждения показывает, что в металле происходит процесс образования кристаллов с выделением тепла, называемый теплотой кристаллизации. Кристаллизация протекает от точки а до точки б, где она заканчивается и металл затвердевает. Дальнейшее падение температуры на кривой указывает на охлаждение затвердевшего слитка (рис. А).

В металлических сплавах кривая охлаждения имеет несколько иной вид. Охладившись до температуры плавления Т_Пл, сплав еще некоторое время остается жидким. Кристаллизация сплава начинается при температуре переохлаждения Т_п, лежащей ниже теоретической температуры плавления. Разность между теоретической и фактической температурами кристаллизации называют степенью переохлаждения. Она зависит от природы сплава, его чистоты и скорости охлаждения. Чем больше скорость охлаждения сплава, тем больше степень переохлаждения. Петля на кривой охлаждения показывает, что кристаллизация сопровождается выделением тепла, которое повышает температуру сплава до температуры плавления, поддерживая ее до полного затвердевания металла. (рис.Б)

Аморфные тела затвердевают постепенно. В этом случае кривая охлаждения будет плавной, без горизонтальных площадок. (рис.В)

Процесс образования кристаллов состоит из двух одновременно протекающих стадий: появления зародышей — устойчивых центров кристаллизации и роста кристалликов вокруг этих центров.

Сначала каждый кристаллик в жидкости растет свободно, сохраняя правильную геометрическую форму. Так как одновременно образуется много кристаллических центров и рост кристалликов идет по всем направлениям, то смежные кристаллы, увеличиваясь, начинают непосредственно соприкасаться друг с другом и правильная форма их нарушается. В результате кристалл приобретает округленную форму, напоминающую зерно. Такие кристаллы принято называть кристаллитами, или зернами.

Процесс кристаллизации может быть описан количественно, если известны зарождение центров кристаллизации и скорость роста кристалликов. Число центров кристаллизации и скорость роста кристалликов зависят от степени переохлаждения металла. С увеличением степени переохлаждения ∆T число центров и скорость роста также возрастают, достигая максимального значения. Однако характер роста величин числа центров и скорости роста различен.