ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ 4 И СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО СЛИТКА Первичная кристаллизация металлов из "Металловедение и термическая обработка металлов " Многие фундаментальные процессы, протекающие в металлах и сплавах (процесс кристаллизации, фазовые превраще-ння, деформация в определенных условиях, рекристаллизация, процессы насыщения поверхности другими компонентами), носят диффузионный характер. [c.30] Под диффузией понимают перемещение атомов в кристаллическом теле на расстояния, превышающие средние межатомные данного вещества. Если перемещения атомов не связаны с изменением концентрации в отдельных объемах, то такой процесс называется самодиффузией. [c.30] Для описания процесса диффузии в твердом кристаллическом теле (металле) предложено несколько возможных механизмов диффузии циклический, обменный, вакансионный и меж-узельный (рис. 16). [c.31] При диффузии в металле элементов с малым атомным радиусом С, N. Н) происходит диффузия по межузельному механизму (рис. 16, г). [c.32] При выводе этого закона принимали, что коэффициент диффузии не зависит от концентрации, что справедливо только для самодиффузии. Поэтому это уравнение должно решаться и решено для определенных граничных условий диффузии. [c.32] Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией. Кристаллизация протекает в условиях, когда система переходит к термодинамически более устойчивому состоянию с меньшей свободной энергией нли термодинамическим потенциалам Р, т.е. когда свободная энергия кристалла меньше жидкой фазы. Если превращение происходит с небольшим изменением объема, то Р—И — Т8, где Я — полная энергия системы Т — абсолютная температура 5 — энтропия. [c.33] Изменение свободной энергии жидкого и твердого состояний в зависммости от температуры показано на рис. 17. Выше температуры 7 п более устойчив жидкий металл, имеющий меньший запас свободной энергии, а ниже этой температуры устойчив твердый металл. При температуре Тпл величины свободных энергий жидкого и твердого состояний равны. Температура 7 п соответствует равновесной температуре кристаллизации (или плавления) данного вещества, при которой обе фазы (жидкая и твердая) могут сосуществовать одновременно и при том бесконечно долго. Процесс кристаллизации при этой температуре еще не начинается. Процесс кристаллизации развивается, если созданы условия, когда возникает разность свободных энергий, образующаяся вследствие меньшей свободной энергии твердого металла по сравнению с жидким. [c.33] Следовательно, процесс кристаллизации может протекать только при переохлаждении металла ниже равновесной температуры Гц. Разность между температурами Та и Тк, при которых может протекать процесс кристаллизации, носит название степени переохлаждения А7 =7 п—Гк. [c.34] С увеличением скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает (кривые иг, из) и процесс кристаллизации протекает при температурах, лежащих ниже равновесной температуры кристаллизации. Степень переохлаждения зависит от природы и чистоты металла. Чем чище жидкий металл, тем более он склонен к переохлаждению. При затвердевании очень чистых метал.тов степень переохлаждения ДГ может быть очень велика. Так, при затвердевании 5п была достигнута А7=118°С и 5Ь 135°С. Однако чаще степень переохлаждения не лревышает 10—30°С. [c.34] При переохлаждении С пла1ва ниже температуры Гпл во многих участках жидкого сплава образуются устойчивые, способные к росту кристаллические зародыши, называемые критическими (рис. 19). [c.35] Явления, протекающие в процессе кристаллизации, сложны п многообразны. Особенно трудно представить начальные стадии процесса, когда в жидкости образуется первый кристаллик, или центр кристаллизации. [c.35] ЮТ ПОСТОЯНСТВО межатомных расстояний п угловых соотношений на больших расстояниях .дальний порядок). [c.36] Пр]1 температурах, близких к температуре плавлени.ч, в жидком металле возможно образование небольших группировок, в которых атомы упакованы так же, как в кристаллах. Такие группировки называются фазовыми (или гетерофазными) флуктуациями (рис. 20,в). В чистом от примесей жидко.м металле наиболее крупные гетерофазные флуктуации могут превратиться в зародыши (центры кристаллизации). [c.37] Кок видно из уравнения, чем меньше величина зародыша, тем выше отношение его поверхности к объему, а следовательно, тем большая часть от общей энергии приходится на поверхностную энергию. Изменение свободной энергии металла АР при образовании кристаллических зародышей в зависимости от их величины Ц и степени переохлаждения показано на рис. 21. [c.37] Минимальный размер зародыша Rк, способный к росту при данных температурных условиях, называется критическим размером зародыша, или равновесным зародышем. [c.38] На образование критического зародыша затрачивается энергия (работа) (- -А/ к), равная одной трети его поверхностной энергии А/= к=7з5ст. [c.38] Следовательно, уменьшение объемной свободной энергии, при переходе атомов из жидкого в твердое кристаллическое, недостаточно для образования критического зародыша. Она лишь на две трети компенсирует энергетические затраты, связанные с образованием поверхности зародыша. [c.38] Образованию зародыша способствует неравномерное распределение энергии между атомами вещ,ества. При каждой данной температуре большинство атомов имеет энергию, соответствующую некоторой средней велпч гне. Однако в малых объемах вещества всегда существует некоторое количество атомов, которые имеют энергию, меньшую или большую средней. Эти случайные и временные отклонения энергии отдельных атомов или группировок атомов от среднего значения для данной температуры называют флуктуациями энергии. [c.38] При тем пературе, близкой к Упл, размер критического зародыша должен быть очень велик и вероятность его образования мала. С увеличением степени переохлаждения величина Д/о возрастает (см. рис. 17), а величина поверхностного натяжения на границе раздела фаз изменяется незначительно. [c.39] Следовательно, с увеличением степени переохлаждения (или с понижением температуры кристаллизации) размер критического зародыша уменьшается и будет меньше работа, необходимая для его образования. Поэтому с увеличением степени переохлаждения, когда становятся способными к росту зародыши все меньшего размера, сильно возрастает число зародышей (центров) кристаллизации или скорость образования этих зародышей (см. рис. 21). [c.39] Вернуться к основной статье