Изучение процесса первичной кристаллизации, роста и образования кристаллов при затвердевании

Цель работы: изучить процесс первичной кристаллизации, рост и образование кристаллов при затвердевании.

1  ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Любое вещество может находиться в четырех агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном и плазменном. Переход из одного агрегатного состояния в другое называется фазовым превращением. Фазовые превращения для чистых кристаллических тел проходят при строго определенной температуре кристаллизации  Мо = 2600⁰С;  Ni = 1450⁰С;  Sn= 232⁰С; Hg = -38,9⁰С и т.д.

Кристаллизацией называется процесс образования кристаллов (кристаллической решетки) из жидкой или газообразной  фазы (первичная кристаллизация), так и из твердой фазы (вторичная кристаллизация). Кристаллизация протекает при переходе из жидкого состояния в твердое и определяется не только тепловым, но и разнообразными физическими и физико-химическими факторами (скоростью зарождения и скоростью роста кристаллов, величиной переохлаждения, температурой перегрева, заливки и т.д.). В 1878 г. Д.К. Чернов впервые описал процесс кристаллизации стали из жидкой фазы.

Твердое состояние кристаллических тел, в том числе и металлов, характеризуется геометрически правильным расположением в них атомов «дальний порядок», а в жидкой фазе сохраняется только «ближний порядок» в расположении атомов, характеризующий правильность в расположении ближних соседей данного атома, т.е. небольшой группы атомов. При приближении к температуре кристаллизации еще в жидком состоянии атомы в отдельных микрообъемах располагаются приблизительно так же, как и в твердом состоянии.

При плавлении металлов происходит разрушение кристаллической решетки, представляющей собой совокупность закономерно расположенных атомов в металле, а при кристаллизации – образование кристаллической решетки.

Предпочтительность образования и устойчивость той или иной фазы металла при определенных внешних условиях определяется в соответствии с законами термодинамики.

Всякое фазовое превращение сопровождается уменьшением свободной энергии. Под свободной энергией (G) понимают ту часть внутренней энергии, которая может быть превращена в работу. Каждая фаза характеризуется своей зависимостью свободной энергии на еденицу объема от температуры (рис.1).

При температуре равновесной  кристаллизации (Т₀) кривые 1 и 2, характеризующие свободную энергию жидкой и твердой фаз, пересекаются. При той температуре ни процесс плавления, ни процесс кристаллизации до конца протекать не могут.  Охлаждение системы от равновесной температуры кристаллизации (Т₀) до температуры (Т₁) переводит ее в состояние, когда твердая фаза будет обладать меньшей свободной энергией, чем жидкая, и будет более устойчивой. Это возможно только при некотором переохлаждении системы. Разность температур Т₀ – Т₁ = ∆Т представляет собой переохлаждение, которому соответствует разность свободных энергий G_ж – G_т = ∆G.

Д.К. Чернов показал, что кристаллизация складывается из двух процессов:

1) скорости возникновения центров кристаллизации (V_в.ц.к);

2) скорости роста центра кристаллизации (V_р.ц.к).

Скоростью возникновения центров кристаллизации называется количество зародышей, образовавшихся в еденице объема за еденицу времени. Скоростью роста центров кристаллизации называется скорость увеличения линейных размеров растущих граней центра кристаллизации в единицу времени. При температурах близких к Т₀ в жидкой фазе появляются некоторые группировки атомов очень малых размеров