Свободная энергия в металле

Обновлено: 20.09.2024

Любое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном.

Изменение свободной энергии в зависимости от температуры

Кристаллизация – это процесс образования участков кристаллической решетки в жидкой фазе и рост кристаллов из образовавшихся центров. Кристаллизация протекает в условиях, когда система переходит к термодинамически более устойчивому состоянию с минимумом свободной энергии. При соответствующем понижении температуры в жидком металле начинают образовываться кристаллики – центры кристаллизации или зародыши. Для начала их роста необходимо уменьшение свободной энергии металла, в противном случае зародыш растворяется. Минимальный размер способного к росту зародыша называется критическим размером, а зародыш – устойчивым. Переход из жидкого состояния в кристаллическое требует затраты энергии на образование поверхности раздела жидкость – кристалл. Процесс кристаллизации будет осуществляться, когда выигрыш от перехода в твердое состояние больше потери энергии на образование поверхности раздела. Зародыши с размерами равными и большими критического растут с уменьшением энергии и поэтому способны к существованию.

Свободная энергия – составляющая полной энергии, которая обратимо меняется с изменением температуры.

Зависимость энергии системы от размера зародыша твердой фазы

Рост продолжается в направлениях, где есть свободный доступ питающей среды. После окончания кристаллизации имеем поликристаллическое тело.

Размер зерен при кристаллизации зависит от числа частичек нерастворимых примесей, которые играют роль готовых центров кристаллизации- оксиды, нитриды, сульфиды. Чем больше частичек, тем мельче зерна закристаллизовавшегося вещества.

Мелкозернистую структуру можно получить в результате модифицирования, добавлением в жидкие металлы посторонних веществ-модификаторов. По механизму воздействия модификаторов различают:

А)вещества, не растворяющихся в жидком металле-выступают в качестве дополнительных центров кристализации;

Б)поверхностно-активные вещества, которые растворяются в металле, и, осаждаюсь на поверхности растущих кристаллов, препятствуют их росту

7. Строение металлического сплава зависит от того, в какие взаимодействия вступают компоненты, составляющие сплав. Почти все металлы в жидком состоянии растворяются друг в друге в любых соотношениях.

В зависимости от характера взаимодействия компонентов различают сплавы:

1. механические смеси;

2. химические соединения;

3. твердые растворы.

Сплавы механические смеси образуются, когда компоненты не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения.

Сплавы химические соединения образуются между элементами, значительно различающимися по строению и свойствам, если сила взаимодействия между разнородными атомами больше, чем между однородными.

Кристаллическая решетка химического соединения

Сплавы твердые растворы – это твердые фазы, в которых соотношения между компонентов могут изменяться. Являются кристаллическими веществами. Характерной особенностью твердых растворов является: наличие в их кристаллической решетке разнородных атомов, при сохранении типа решетки растворителя. Твердый раствор состоит из однородных зерен

Схема микроструктуры твердого раствора

По характеру распределения атомов растворенного вещества в кристаллической решетке растворителя различают твердые растворы:

Рис.4.4. Кристаллическая решетка твердых растворов замещения (а), внедрения (б)

Внедрение – размещение атомов раствор вещ-ва в своб промежутках растворителя.

Строение – зона столб кристаллов, зона равноосн крист.

Система – группа тел, выбираемых для изучения или исследования.

Компонент – вещ-ва, необходимые и достаточные для образования системы.

Фаза – однородная часть системы, отделенная от неё другой частью системы, пов-тью раздела, при переходе ч-з которую хим состав или структура изменяются скачком.

8.Диаграмма состояния и её построение Правило фаз

Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей системы поверхностного раздела, при переходе через которую структура и свойства резко меняются. Если вариантность C = 1 (моновариантная система), то возможно изменение одного из факторов в некоторых пределах, без изменения числа фаз. Если вариантность C = 0 (нонвариантная система), то внешние факторы изменять нельзя без изменения числа фаз в системе. Существует математическая связь между числом компонентов (К), числом фаз (Ф) и вариантностью системы ( С ). Это правило фаз или закон Гиббса

Если принять, что все превращения происходят при постоянном давлении, то число переменных уменьшится

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния любого сплава изучаемой системы в зависимости от концентрации и температуры

Диаграммы состояния показывают устойчивые состояния, т.е. состояния, которые при данных условиях обладают минимумом свободной энергии, и поэтому ее также называют диаграммой равновесия, так как она показывает, какие при данных условиях существуют равновесные фазы.

Температуры, соответствующие фазовым превращениям, называют критическими точками. Некоторые критические точки имеют названия, например, точки отвечающие началу кристаллизации называют точками ликвидус, а концу кристаллизации – точками солидус. По диаграмме состояния можно определить температуры фазовых превращений, изменение фазового состава, приблизительно, свойства сплава, виды обработки, которые можно применять для сплава.

3. Кристаллизация металлов. Изменение свободной энергии при кристаллизации. Критический зародыш.

Подавляющие большинство металлов получают путем кристаллизации из жидкого состояния.

При переходе метала из жидкого состояния в кристаллическое образуются кристаллы. Процесс этот называется кристаллизацией. Металл стремиться перейти в термодинамически более устойчивое состояние с меньшей свободной энергией.

В процессе кристаллизации закладываются основные особенности поликристаллического состояния металла. В процессе кристаллизации формируется реальная структура, характеризующаяся низкими экскурсионными свойствами металла, которые потом исправляются обработкой давлением или термической обработкой, а так же их сочетанием. Состояние любого вещества определяется температурой и давлением. При постоянном давлении, если детали находятся на земной поверхности, где единственным изменением параметром вещества будет температура, которая влияет на состояние вещества не непосредственно, а через термодинамические характеристики. F- основанная характеристика состояния вещества, называемая энергией Гиббса, которая представляет собой ту часть ионной энергии вещества, которая может изменяться в различных процессах и может превращаться в работу.

0свободная энергия жидкого состояния и твердого будут равны и могут существовать сколь угодно долго. При повышенииt>t₀ вещество плавится, при понижении – кристаллизуется. В жидком металле атомы не расположены хаотично, как в газообразном состоянии, но в тоже время в их расположении нет той правильности, которая характерна для сложного кристаллического тела. Когда атомы сохраняют постоянные межпластинчатые расстояния и угловые соотношения на больших расстояниях, то это называется дальним порядком.

Микрообъемы, возникшие с правильным расположением атомов в жидком сплаве могут существовать некоторое время, а потом они рассасываются и возникают вновь в других местах. С понижением tразмеры этих микрообъемов увеличиваются и постепенно металл кристаллизуется. Зародыши, возникшие в процессе кристаллизации могут быть разной величины. Зародыш может расти только в том случае, если он достиг определенной величины, начиная с которой его рост ведет к уменьшению энергии Гиббса. Минимальный размер зародыша, способный к росту при данных температурных условиях называется критическим размером зародыша.

4. Параметры кристаллизации и их зависимость от степени переохлаждения. Факторы, влияющие на процесс кристаллизации. Форма и размеры растущих кристаллов. Строение слитка. Аморфное состояние металла.

Температура, при которой фактически осуществляется процесс кристаллизации называется фактическими температурами кристаллиз. Разность между этими температурами называется степенью переохлаждения.

На кривой охлаждения полученной при кристаллизации металла в момент появления 1-го кристалла в жидкости температура стабилизировалась. Площадка на кривой охлаждения имеет место до тех пор, пока последняя капля жидкости не исчезнет. Последующее охлаждение осуществляется уже в твердом состоянии за счет конвективного теплообмена.

Кривая 1 имеет температуру T_S, однако в реальных условиях для протекания процесса кристаллизации металл необходимо переохладить нижеT_S.T_кр- фактическая температура.T_S-T_К- переохлаждение.

Появление площадки на кривой охлаждения обусловлено тем, что в момент появления первых кристаллов выделяется скрытая теплота кристаллизации, которая и компенсирует охлаждение.

В 1911 году русский исследователь Георг Таммен , изучая процесс кристаллизации определил следующие параметры:

а) процесс зарождения центров кристаллизации (характеризуется числом центров в 1 см 3 /сек);

б) рост кристалла, который численно определяется линейной скоростью роста кристалла, т.е скоростью перемещения грани кристалла параллельно самому себе (мм/сек).При Т=Т₀, энергия Гиббса равна свободной энергии, поэтому кристаллизации не идет. Для начала 0. Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации – переохлаждение. Те же причины обуславливают и то, что обратное превращение из кристаллического состояния в жидкое может быть может происходить лишь тогда, когда температуры будет выше Т₀. Это явление - перенагревание. Величиной (степенью переохлаждения) называют разность между теоретической (1) и фактической (2) темп перекристаллизации.

Наличие горизонтальной площадки объясняется тем, что отвод тепла компенсируется выделяющимися при кристаллизации скрытой теплотой кристаллизации. Величина переохлаждения влияет на число центров и скорость роста кристаллов. Чем больше скорость, тем выше степень переохлаждения. При очень высоких степенях переохлаждения металл имеет аморфную структуру (безкристаллическую). Аморфные материалы более прочные, имеют ряд специальных свойств (очень хорошо работают в атомной энергетике). Но если этот материал нагреть до определенной температуры, то получается обычный металл с обычными свойствами.

Структура литого слитка:

При кристаллизации жидкого металла макс степень переохлаждения - при контакте со стенками изложницы. По мере понижения температуры отвод тепла наблюдается нормально поверхности стен.

1 – зона микрозернистых кристаллов

2- зона столбчатых кристаллов

Отвод тепла затруднен во все стороны, то образуется зона крупных равноосных зерен

В процессе кристаллизации имеет место усадка металла. Процесс кристаллизации слитка должен быть таким, чтобы кристаллизация в последнюю очередь заканчивалась в верхней части слитка и усадочная раковина оказалась в верхней части, которая затем удаляется (отрезается) и идет на переплавку.

Формирование структуры металла при кристаллизации

Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией. Кристаллизация протекает в условиях, когда система переходит к термодинамически более устойчивому состоянию с меньшей энергией Гиббса, т.е. когда энергия Гиббса кристалла меньше, чем энергия Гиббса жидкой фазы.

Понятие «энергия Гиббса» введено в термодинамику в 1974 году, но имени американского ученого, для описания процессов, в которых возможен обмен веществом с окружающими телами.

Изменение энергии Гиббса металла в жидком и твердом состоянии в зависимости от температуры см. рис.3.

Рис.3 Изменение энергии Гиббса «G»( свободная энергия) металла в

жидком Gж и твердом Gт состояниях в зависимости от температуры.

Выше температуры Т_пл более устойчив жидкий металл имеющий меньший запас свободной энергии (энергия Гиббса), а ниже этой температуры устойчив твердый металл. При Т_пл значения энергий Гиббса металла в жидком и твердом состоянии равны. Температура Т_пл соответствует равновесной температуре кристаллизации (или плавления) данного вещества, при которой обе фазы (жидкая и твердая) могут сосуществовать одновременно.

Процесс кристаллизации развивается, если созданы условия, когда возникает разность энергий Гиббса «G», образующаяся вследствие меньшей энергии Гиббса твердого металла по сравнению с жидким.

Следовательно, процесс кристаллизации может протекать только при переохлаждении металла ниже равновесной температуры Т_пл.

Процесс кристаллизации начинается с образования кристаллических зародышей (центров кристаллизации) и продолжается в процессе роста их числа и размеров.

При охлаждении сплава ниже температуры Т_пл во многих участках жидкого сплава образуются устойчивые, способные к росту кристаллические зародыши. Пока образовавшиеся кристаллы растут свободно, они имеют более или менее правильную геометрическую форму. Однако при столкновении растущих кристаллов их правильная форма нарушается, т.к. в этих участках рост граней прекращается. Рост продолжается только в тех направлениях, где имеется свободный доступ «питающей» жидкости.

Рост зародышей возможен только при условии, если они достигли определенной величины, начиная с которой их рост ведет к уменьшению энергии Гиббса.

При прочих равных условиях скорость процесса кристаллизации и строение металла после затвердевания зависят от числа зародышей (центров кристаллизации), возникающих в единицу времени и в единице oбъема. Чем больше скорость образования зародышей и их роста, тем быстрее протекает процесс кристаллизации.

Чем больше скорость образования зародышей кристаллизации (определяется степенью переохлаждения Т) и меньше скорость роста их, тем меньше размер кристалла, выросшего из одного зародыша и следовательно, более мелкозернистой будет структура металла.

При небольшой степени переохлаждения число зародышей мало. В этих условиях будет получаться большое зерно. Размер зерна в металле существенно влияет на его механические свойства. Эти свойства выше (особенно вязкость и пластичность), если металл имеет мелкое зерно. Величина зерна зависит не только от степени переохлаждения. На размер зерна оказывают большое влияние температура нагрева и разливки жидкого металла, его химический состав и особенно присутствие в нем посторонних примесей.

Чем больше примесей, тем больше центров кристаллизации, тем меньше получается зерно. Поэтому, в металлургии часто используется процесс модифицирования литьевого металла т.e. использование специально водимых в жидкий металл примесей (модификаторов) для получения мелкого зерна. При этом примеси практически не изменяя химического состава сплава, вызывают при кристаллизации измельчение зерна и в итоге улучшение механических свойств.

Поверхностная и внутренняя энергия металла

Металлические изделия формируют основную базу инфраструктурного обеспечения инженерных коммуникаций, выступают сырьем для машиностроительной промышленности и строительства. В каждой из указанных областей использование таких элементов сопрягается с высокой ответственностью. На монтажные и коммуникационные конструкции воздействуют и химические, и механические нагрузки, что обуславливает необходимость первичного анализа свойств материала. Для понимания эксплуатационных параметров используется такое понятие, как энергия металла, которая определяет поведение отдельного элемента или конструкции в тех или иных условиях эксплуатации.

Свободная энергия

Множество процессов в структуре металлических изделий определяется характеристиками свободной энергии. Наличие в материале ионов с таким потенциалом приводит к их перемещению в другие среды. Например, в ходе взаимодействия с растворами, содержащими аналогичные ионы, металлические элементы уходят в контактную смесь. Но это происходит в случаях, когда свободная энергия металлов превосходит аналогичные показатели в растворе. В результате может сформироваться положительная обкладка двойного электрического поля за счет свободных электронов, оставшихся вблизи металлической поверхности. Укрепление данного поля также выступает барьером для прохождения новых ионов – таким образом, создается граница раздела фаз, препятствующая переходам элементов. Процесс такого перемещения продолжается до того момента, пока в новообразованном поле не будет достигнута предельная разность потенциалов. Пиковая граница определяется балансом разностей потенциалов в растворе и металле.

Поверхностная энергия

При попадании новых молекул на металлическую поверхность происходит освоение свободных зон. В процессе перемещения молекулы занимают на поверхности микротрещины и участки раздела мелких зерен – это сегменты кристаллической решетки. По такой схеме происходит изменение свободной поверхностной энергии, которая понижается. В твердых телах также можно наблюдать процессы облегчения пластического течения на поверхностных участках. Соответственно, поверхностная энергия металлов обуславливается силами притяжения молекул. Здесь же стоит отметить величину поверхностного натяжения, которая зависит от нескольких факторов. В частности, ее определяет геометрия молекул, их силы и количество атомов в структуре. Также имеет значение и расположение молекул в поверхностном слое.

Поверхностное напряжение

Обычно процессы натяжения происходят в гетерогенных средах, которые отличаются поверхностью раздела несмешивающихся фаз. Но следует заметить, что наряду с натяжением проявляются и другие свойства поверхностей, обусловленные параметрами их взаимодействия с другими системами. Совокупность данных свойств определяет большинство технологических показателей металла. В свою очередь, энергия металла, с точки зрения поверхностного натяжения, может определять параметры коалесценции капель в сплавах. Технологи, таким образом, выявляют характеристики огнеупоров и флюсов, а также их взаимодействие с металлической средой. Помимо этого, поверхностные свойства оказывают влияние на скорость термотехнологических процессов, среди которых выделение газов и вспенивание металлов.

Зонирование энергии и свойства металла

Уже отмечалось, что конфигурация распределения молекул по структуре металлической поверхности может определять отдельные характеристики материала. В частности, специфический отблеск многих металлов, а также их непрозрачность обуславливаются распределением энергетических уровней. Скопление энергий в свободных и занятых уровнях способствует наделению любого кванта двумя энергетическими уровнями. Один из них будет находиться зоне валентности, а другой — в участках проводимости. При этом нельзя сказать, что распределение по энергиям электронов в металле является стационарным и не предполагает изменений. Элементы валентной зоны, к примеру, могут поглощать световые кванты, мигрируя в зону проводимости. В результате свет поглощается, а не отражается. По этой причине металлы имеют непрозрачную структуру. Что касается блеска, то его обуславливает процесс испускания света при возвращении активизированных излучением электронов на низкие уровни энергии.

Внутренняя энергия

Данный потенциал формируется энергией ионов, а также тепловым движением электронов проводимости. Косвенно эта величина характеризуется собственными зарядами металлических структур. В частности, для стали, которая пребывает в контакте с электролитами, автоматически устанавливается собственный потенциал. С изменениями внутренней энергии связаны многие неблагоприятные процессы. Например, по этому показателю можно определить коррозионные и деформационные явления. В таких случаях внутренняя энергия металла обуславливает наличие микро- и макронарушений в структуре. Более того, частичное рассеивание данной энергии под действием той же коррозии обеспечивает и потерю определенной доли потенциала. На практике эксплуатации металлических изделий негативные факторы изменения внутренней энергии могут проявляться в виде структурных разрушений и снижении пластичности.

Энергия электрона в металле

При описаниях совокупности частиц, которые взаимодействуют между собой в твердом теле, применяются квантово-механические представления об энергии электронов. Обычно используются дискретные значения, которые определяют характер распределения данных элементов по уровням энергии. В соответствии с требованиями квантовой теории, измерение энергии электронов производится в электрон-вольтах. Считается, что в металлах потенциал электронов на два порядка превышает энергию, которая рассчитывается по кинетической теории газов в условиях комнатной температуры. При этом энергия выхода электронов из металлов и, в частности, скорость движения элементов не зависит от температуры.

Энергия иона в металле

Расчет энергии ионов позволяет определять характеристики металла в процессах плавления, возгонки, деформации и т. д. В частности, технологи выявляют показатели прочности на разрыв и упругость. Для этого вводится и понятие кристаллической решетки, в узлах которой находятся ионы. Энергетический потенциал иона обычно рассчитывается с учетом его возможности разрушительного воздействия на кристаллическое вещество с образованием составных частиц. На состояние ионов может повлиять и кинетическая энергия электронов, выбиваемых из металлов в процессе столкновения. Поскольку в условиях повышения разности потенциалов в среде электродов до тысячи вольт скорость перемещения частиц значительно увеличивается, накапливаемого потенциала хватает для расщепления встречных молекул на ионы.

Энергия связи

Металлы характеризуются смешанными типами связи. Ковалентная и ионная связки не имеют резкого разграничения и зачастую перекликаются между собой. Так, процесс упрочнения металла под действием легирования и пластического деформирования объясняется как раз перетеканием металлической связки в ковалентное взаимодействие. Независимо от вида данных связей, все они определяются как химические процессы. При этом у каждой связи есть энергия. Например, ионное, электростатической и ковалентное взаимодействие может обеспечивать потенциал в 400 кДж. От конкретной величины будет зависеть и энергия металла при взаимодействии с разными средами и под механическими нагрузками. Металлические связки могут характеризоваться разными показателями прочности, но в любом проявлении они будут не сопоставимы с аналогичными свойствами в ковалентных и ионных средах.

Свойства металлических связей

Одним из первостепенных качеств, которые характеризуют энергию связей, является насыщаемость. Данное свойство определяет состояние молекул и, в частности, их структуру и состав. В металле частицы существуют в дискретном виде. Прежде для понимания эксплуатационных свойств комплексных соединений применялась теория валентных связей, однако в последние годы она утратила свое значение. При всех своих преимуществах данная концепция не объясняет ряд имеющих большое значение свойств. Среди них можно отметить спектры поглощения в соединениях, магнитные качества и другие характеристики. Зато при расчетах энергии поверхности в металлах можно выявить такое свойство, как воспламеняемость. Оно определяет способность металлических поверхностей возгораться без детонирующих активаторов.

Состояние металлов

Большинство металлов характеризуется валентной конфигурацией с электронным строением. В зависимости от свойств данной структуры, определяется и внутреннее состояние материала. На основе этих показателей и с учетом связей можно сделать выводы о значениях температуры плавления конкретного металла. К примеру, мягкие металлы, среди которых золото и медь, отличаются пониженной температурой плавления. Это объясняется уменьшением количества не спаренных электронов у атомов. С другой стороны, мягкие металлы имеют высокие показатели теплопроводности, что, в свою очередь, объясняется высокой подвижностью электронов. Кстати, металл, накапливающий энергию в условиях оптимальной проводимости ионов, обеспечивает высокую электропроводность за счет электронов. Это одна из важнейших эксплуатационных характеристик, которые определяются металлическим состоянием.

Заключение

Химические свойства металлов во многом определяют их технико-физические качества. Это позволяет специалистам ориентироваться на энергетические показатели материала, с точки зрения возможности его использования в тех или иных условиях. Кроме того, энергия металла не всегда может рассматриваться в качестве самостоятельной. То есть собственный потенциал может изменяться в зависимости от характера взаимодействия с другими средами. Наиболее выразительны связи металлических поверхностей с другими элементами на примере процессов миграции, когда происходит заполнение свободных энергетических уровней.

Кристаллизация металлов

Любое вещество может находиться в одном из четырех агрегатных состояний: твердом, жидком, газообразном и плазменном. Агрегатное состояние определяется энергией взаимодействия атомов. Стабильным (равновесным) при определенных внешних условиях является состояние вещества, при котором оно обладает минимумом свободной энергии. Свободная энергия — часть внутренней энергии вещества. Внутренняя энергия вещества — это сумма потенциальной энергии (энергии взаимодействия) и кинетической энергии частиц (тепловые колебания). Часть внутренней энергии, высвобождающаяся при переходе вещества из одного состояния в другое,называется свободной энергией. Чем больше высвободится свободной энергии, тем меньшей энергией будет обладать вещество, тем более стабильно его состояние. Свободную энергию можно представить как аналог потенциальной энергии (рис. 1).

Рисунок 1 - Стремление системы к уменьшению свободной энергии

В положении 1 шарик имеет максимальную потенциальную энергию. Это положение не является устойчивым, шарик скатывается в положение 2, при котором его потенциальная энергия будет равна 0. Вещество может находиться в метастабильном состоянии (закаленная сталь). Такое состояние не обладает минимумом свободной энергии, но является достаточно устойчивым (стабильным). Вещество в метастабильном состоянии может находиться бесконечно долго при условии постоянства внешних факторов.
Первичная кристаллизация металлов и сплавов. Кристаллизация — это переход металла из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллического строения. Это первичная кристаллизация (в отличие от вторичной, когда кристаллы металлических фаз выделяются из твердого вещества).
Рассмотрение кристаллизации для металлов и сплавов на их основе связано с тем, что эти материалы получают методом литья, тогда как многие неметаллические материалы производят другими способами. Ряд неметаллических материалов существует в природном виде (углерод), многие химические соединения получают путем химических реакций: карбиды — карбидизацией, нитриды — азотированием и т.п. Процесс кристаллизации (затвердевания) обусловлен стремлением системы к переходу в более устойчивое термодинамическое состояние. При изменении внешних условий, например температуры, свободная энергия системы меняется различно для жидкого и твердого (кристаллического) состояния (рис. 2). Выше температуры Ts более стабильным
является жидкое состояние, так как металл в этом состоянии имеет меньший запас свободной энергии. Ниже температуры Ts меньшим запасом свободной энергии обладает металл в твердом состоянии. При температуре величины свободных энергий твердого и жидкого состояний равны. Это означает, что металл может находиться в обоих состояниях бесконечно долго, так как переход из одного состояния в другое не будет сопровождаться уменьшением свободной энергии. Температура Ts получила название теоретической температуры кристаллизации.

Рисунок 2 - Изменение свободной энергии (Ts) в зависимости от температуры (Т) жидкого (1) и твердого (2) состояния вещества

Для начала кристаллизации необходимо, чтобы свободная энергия металла в твердом состоянии стала меньше свободной энергии жидкого состояния. Это становится возможным при охлаждении жидкости ниже Ts. Температура, при которой фактически начинается процесс кристаллизации, называется фактической температурой кристаллизации (Тк). Охлаждение жидкого металла ниже теоретической температуры кристаллизации называется переохлаждение, а разность между теоретической и фактической температурой кристаллизации — степенью переохлаждения (ΔТ):

Степень переохлаждения зависит от скорости охлаждения жидкого металла. С увеличением скорости охлаждения понижается фактическая температура кристаллизации и, следовательно, возрастает степень переохлаждения. Процесс кристаллизации можно описать с помощью кривых охлаждения, построенных в координатах «температура — время» (рис. 3). Охлаждение в жидком состоянии сопровождается плавным понижением температуры (участок 1 кривой охлаждения), при достижении температуры кристаллизации на кривой охлаждения появляется горизонтальная площадка (участок 2 кривой охлаждения), т.е. охлаждение (понижение температуры) останавливается. Это вызвано тем, что отвод тепла компенсируется выделяющейся в процессе кристаллизации скрытой
теплотой кристаллизации. После полного перехода металла из жидкого состояния в твердое температура вновь начинает плавно снижаться (участок 3 кривой охлаждения). Увеличение скорости охлаждения от V1 до V3 приводит к увеличению степени
переохлаждения (см. рис. 3).

Рисунок 3 - Кривые охлаждения металла

Кристаллизация начинается с образования в жидком металле центров кристаллизации и продолжается за счет роста их числа и размеров (рис. 4). Процесс кристаллизации можно охарактеризовать двумя параметрами: числом центров кристаллизации (ЧЦК),

Рисунок 4- Схема процесса кристаллизации

образующихся в единицу времени в единице объема (1 см 3 /с), и скоростью роста кристаллов (СК ) [мм /с]. Эти параметры зависят от степени переохлаждения, а следовательно, от скорости охлаждения при кристаллизации металла. В соответствии с законом Таммана для каждой степени переохлаждения указанные параметры могут иметь только одно значение (рис. 5).
При теоретической температуре кристаллизации ( Ts) значения ЧЦК и СК равны 0 и кристаллизация происходить не может. При повышении степени переохлаждения значения ЧЦК и СК возрастают, процесс кристаллизации идет быстро. Это объясняется тем, что при высоких температурах, близких к Тs подвижность атомов велика. При определенных степенях переохлаждения значения ЧЦК и СК достигают максимума, после чего снижаются вследствие уменьшения подвижности атомов при низких температурах.

Размер образовавшихся в процессе кристаллизации зерен зависит от соотношения величин ЧЦК и СК, т.е. определяется степенью переохлаждения (скоростью охлаждения
металла в процессе кристаллизации). При малых степенях переохлаждения (низкой скорости охлаждения металла) образуется малое число центров кристаллизации, которые
растут с большой скоростью,---- АТ' (см. рис. 5). В этом случае структура металла после окончания кристаллизации будет крупнозернистой. При больших степенях переохлаждения, напротив, ЧЦК велико, а СК мала (ДГ" - АТ”'), поэтому структура металла получается мелкозернистой.
Если степень переохлаждения настолько велика, что значения ЧЦК и СК близки к пулю, кристаллизации не происходит. При этом образуется твердое тело, имеющее не кристаллическое строение с «правильным» расположением атомов, а аморфное — с хаотическим расположением атомов — «твердая жидкость». Аморфное состояние
характерно для неметаллических материалов (стекла, полимеры). Для получения аморфного состояния у металлических материалов требуется очень большая скорость охлаждения 10 6 . 10 7 °С/с.

Читайте также: