Жидкое состояние. Гомогенная кристаллизация, страница 3

В последние годы проведены нейтронографические и рентгенографические исследования структуры расплавов с относительно высокой температурой плавления (1000°С). Для жидкого железа получены значения координационного числа от 11,5 до 13,5. Было высказано * предположение, что упаковка атомов в жидком железе близка к структуре его высокотемпературной модификации б-Fe. При исследовании расплавов Fe—С показано **, что введение углерода в жидкое железо приводит к изменению дифракционной картины: первый максимум интенсивности сдвигается в сторону меньших углов рассеяния.

§ 6.2. ГОМОГЕННАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

Кристаллизация расплава. Рассмотрим самопроизвольное образование зародышей кристаллитов в расплаве чистого металла. Практически осуществить гомогенное зарождение очень сложно, так как надо исключить влияние любой готовой поверхности частиц, примесей, стенок. При охлаждении расплава степень ближнего порядка возрастает. Из-за интенсивного теплового движения малые области с расположением атомов, подобным их расположению в кристаллическом состоянии, то разрушаются, то возникают снова. Однако при дальнейшем охлаждении расплава вероятность возникновения областей с таким же координационным числом, как у твердого металла, будет возрастать. Эти объемы можно рассматривать как зародыши кристаллизации, если при их дальнейшем росте свободная энергия системы АФ уменьшается. Рассчитаем

АФ как изменение свободной энергии при затвердевании объема с линейным размером г. Учитывая изменение свободной энергия, связанное с переходом из жидкого состояния в твердое Af= =Fiu—F_m, и энергию поверхности раздела площадью S=par* между расплавом и кристаллическим зародышем и предполагая, что

Рис. 6.5. Изменение объемной свободной энергии металла в жидком (F_Ж) и твердом (F_ТВ) состояниях с температурой

1.  СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ

Молекулярное строение жидкостей, в том числе и металлических, в общих чертах достаточно хорошо известно. Атомы, молекулы или ионы, составляющие жидкость, находятся на близких расстояниях друг от друга, сравнительно мало отличающихся от расстояний между частицами в соответствующих кристаллах. Они не образуют строго периодической регулярной структуры, какая наблюдается в твердых телах. Окружающие каждую частицу ближайшие соседи находятся от нее не на строго фиксированных расстояниях, как это имеет место в кристалле, а их расположение в известной степени произвольно. Число окружающих частицу ближайших соседей у большинства жидкостей несколько меньшее, чем в твердой фазе. Частицы жидкости чрезвычайно подвижны, поэтому ближайшие соседи не постоянны, а часто сменяются другими идентичными частицами.

Компактное расположение частиц в жидкости обусловлено значительными силами межмолекулярного взаимодействия. Соотношение же между энергией взаимодействия частиц и энергией теплового движения таково, что тепловое движение непрерывно перестраивает взаимное расположение частиц жидкости.

Жидкое состояние, являясь промежуточным между твердым и газообразным состояниями, обладает отдельными чертами как твердых тел, так и газов. Жидкости изотропны и текучи, как газы, но вдали от критической точки их плотность, сжимаемость, теплоемкость близки по величине к плотности, сжимаемости и теплоемкости твердых тел. Жидкости, как и твердые тела, занимают в пространстве определенный объем. Теплоты кипения жидкостей и теплоты сублимации твердых тел примерно одинаковы.