При выращивании монокристаллов можно получать чистые и легированные, бездислокационные и дефектные монокристаллы различной формы и размеров (от 10-6 до 102 см).
Образование дефектов.Реальные кристаллы всегда имеют неоднородное распределение примесей. Примеси изменяют параметры кристаллической решетки, и на границах областей разного состава возникают внутренние напряжения. Это приводит к образованию дислокаций и трещин. При кристаллизации из расплава дислокации возникают как результат термоупругих напряжений в неравномерно нагретом кристалле, а также нарастания более горячих новых слоев на более холодную поверхность. Дислокации могут «наследоваться», переходя из затравки в выращиваемый кристалл.
Посторонние газы, хорошо растворимые в маточной среде, но плохо захватываемые растущим кристаллом, образуют на фронте роста пузырьки газа, которые захватываются кристаллом, если скорость роста превосходит некоторую критическую. Так же из маточной среды захватываются и посторонние твердые частицы, которые становятся затем, источниками внутренних напряжений в кристалле и приводят к образованию дислокаций. При кристаллизации в невесомости отвод пузырьков затруднен, и кристалл обогащается газовыми включениями. Увеличивая плотность пузырьков, можно получать так называемые неметаллы.
Массовая кристаллизация.При определенных условиях возможен одновременный рост множества кристаллов. Спонтанное массовое появление зародышей и их рост происходят, например, при затвердевании отливок металлов. Кристаллы зарождаются, прежде всего, на охлаждаемых стенках изложницы, куда заливается перегретый металл. Зародыши на стенках ориентированы хаотично, однако в процессе роста «выживают» те из них, у которых направление максимальной скорости роста перпендикулярно стенке. В результате у поверхности возникает так называемая столбчатая зона, состоящая из почти параллельных узких кристаллов, вытянутых вдоль нормали к поверхности.
Таким образом, процесс кристаллизации складывается из двух стадий – образование центров кристаллизации (кристаллических групп – зародышей) и их рост.
Если жидкий металл находится в состоянии переохлаждения, и атомы находятся в состоянии непрерывного движения, то начинают образовываться центры кристаллизации.Отдельные зерна в поликристалле называются кристаллитами. Границы встреч различно ориентированных кристаллов называются границами зерен.
Центры кристаллизации возникают самопроизвольно при переохлаждении металла. Роль переохлаждения весьма велика. Все возникшие атомы кристаллической группы (зародыши) могут стать центрами кристаллизации. Очень маленький зародыш, возникнув, снова растворяется (является неустойчивым), и чем ниже температура кристаллизации, т.е. чем больше степень переохлаждения, тем устойчивей буду мелкие зародыши. Минимальный размер зародыша способного при данной температуре быть устойчивым называют критическим размером зародыша. Чем больше центров кристаллизации в данном объеме, тем больше будет число зерен и меньше размер каждого зерна:
, (3)
где 
– число зерен в единице объема;
– коэффициент пропорциональности;
– число центров кристаллизации;
– скорость роста.
Практика производства металла показывает, что чем больше скорость охлаждения (тоньше отливки, интенсивней отвод тепла), тем больше степень переохлаждения и тем меньше размер зерна в литых сталях.
Зависимость числа центров и скорости роста от скорости охлаждения (степени переохлаждения) изображена на рисунке 11. Следует отметить, что возможность регулирования скорости охлаждения детали в процессе затвердевания ограничена, поэтому с целью регулирования размеров зерен используют искусственное введение в расплавленный металл веществ, создающих центры кристаллизации. Процесс искусственного регулирования размеров и формы зерен называется модифицированием, а вещества для этих целей – модификаторами. Большую роль в качестве центров кристаллизации в технических металлах играют инородные и не металлические включения, попадающие в металл при выплавке (шлаковые включения, частицы футеровки, окислы металла и т. д.).
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.