Зародыши кристаллов критического размера

Для того чтобы вокруг возникших центров кристаллизации начался рост кристаллов из жидкого металла, необходимо, чтобы свободная энергия металла уменьшилась. Если же в результате образования зародыша свободная энергия металла увеличивается, то зародыш растворяется. Минимальный размер способного к росту зародыша называется, критическим размером зародыша, а такой зародыш — устойчивым. [c.101]

В первом случае распад начинается при температуре вблизи точки 1 (для сплава /). Кристаллы ip-фазы образуются преимущественно на границах зерен, так как работа образования центра кристаллизации на границе зерна меньше, чем внутри зерна. Критический размер зародыша должен быть относительно большим, так как переохлаждение мало. Дальнейшее охлаждение должно привести к выделению новых кристаллов и к росту выделившихся. Образующиеся кристаллы р-фа-зы не имеют определенной ориентации относительно исходной а-фазы, а внешняя форма их приближается к сфероиду, так как эта форма обладает минимумом свободной энергии. Кристаллы растут постепенно, атомы преодолевают энергетический барьер и на границе раздела а- и р-фаз один за другим встраиваются Б решетку выделяющейся фазы. [c.142]

Изменение свободной энергии в зависимости от размера зародыша характеризуется кривой с максимумом (рис. 12.2). На первых стадиях рост зародыша приводит к увеличению свободной энергии и его существование будет неустойчивым. При определенном критическом размере зародыша изменение свободной энергии достигает максимума. Дальнейший рост кристаллического зародыша приводит к уменьшению AF и может продолжаться неограниченно. Зародыши критической величины, возникшие как флуктуационные образования, становятся центрами кристаллизации, из которых вырастают кристаллы. [c.436]

Рост двумерного зародыша путем поступления атомов из переохлажденной жидкости. После образования на плоской грани двумерного зародыша дальнейший рост нового слоя протекает сравнительно легко, так как появляются участки, удобные для закрепления атомов, переходящих из жидкости. Атом в положении 1 (рис. 23, а) закреплен слабо, он легко перемещается по поверхности и может вновь оторваться. Атом же, поступивший в положение 2, имея три связи, закреплен надежно. Когда возникший двумерный слой атомов покроет всю грань, для образования последующего такого же слоя необходим новый двумерный зародыш критического размера, образующийся по указанному выше механизму. Следовательно, скорость роста кристаллов определяется вероятностью образования двумерного зародыша. [c.29]

Маленькие зародыши твердой фазы оказываются нестабильными из-за их высокой поверхностной энергии и поэтому имеют склонность к исчезновению. При равновесной температуре превращения критический размер зародыша, ниже которого нет спонтанного роста кристаллов, бесконечен, но с падением температуры он быстро уменьшается. Таким образом. [c.120]

Для зарождения кристаллика цементита необходимо, чтобы при хаотическом тепловом движении атомов углерода случайно в небольшом объеме содержание их повысилось от среднего (0,8%) до 6,67%, а расположение оказалось близким к расположению углерода в цементите. Причем размер этого образовавшегося зародыша должен быть достаточно большим. Только в случае, если зародыш окажется больше определенного объема, называемого критическим, образовавшийся кристаллик цементита будет расти. Кристаллики размером меньше критического самопроизвольно распадаются. Чем меньше степень переохлаждения, тем большим должен быть размер устойчивого зародыша кристалла цементита. При малых степенях переохлаждения вероятность образования устойчивого зародыша относительно невелика. Таких зародышей появляется мало в единицу времени в единице объема. С увеличением степени переохлаждения размер устойчивого зародыша уменьшается и число центров [c.127]

Уравнение (14) можно использовать для характеристики геометрии зародыша критического размера. Для сферических зародышей удельная поверхностная энергия и расстояние от центра кристалла не изменяется по контуру межфазной поверхности, и уравнение (14) вырождается в известное соотношение [c.38]

Кристалл растет последовательными слоями путем образования на его поверхности двумерных зародышей критического размера. Существенную роль при росте играют дефекты структуры. Если даже кристалл обладает совершенной структурой, поверхность его может быть несовершенной и состоять из ступенчатых террас — каждая ступень образуется слоем атомов или молекул. Наблюдения действительно показывают, что плоскости реальных кристаллов часто имеют ступенчатое строение, что подтверждает механизм роста за счет образования двумерных зародышей. [c.180]

Для металлов, которые в обычных условиях кристаллизации не склонны к большим переохлаждениям, как правило, характерны восходящие ветви кривых. При небольших степенях переохлаждения, когда зародыш критического размера велик, а скорость образования зародышей мала, при затвердевании формируется крупнокристаллическая структура. Небольшие степени переохлаждения достигаются при заливке жидкого металла в форму с низкой теплопроводностью (земляная, шамотовая) или в подогретую металлическую форму. Увеличение переохлаждения происходит при заливке жидкого металла в холодные металлические формы, а также при уменьшении толщины стенок отливки. Поскольку при этом скорость образования зародышей увеличивается более интенсивно, чем скорость их роста, получаются более мелкие кристаллы. [c.72]

Оценены АГ на грани растущего кристалла германия (4° С) и критический размер двумерного зародыша (10 атомов). Отмечается, что приближение справедливо с очень большой точностью. [c.64]

Расчеты показывают, что для образования зародыша критического размера необходимо затратить работу, равную трети свободной энергии поверхности кристалла [c.95]

Из приведенных формул видно, что с увеличением переохлаждения расплава критический размер зародыша уменьшается и, следовательно, вероятность самопроизвольного возникновения зародышей кристаллов возрастает. В практике производства литья, сварки, пайки величина переохлаждения не превышает нескольких градусов, реже десятков градусов. Это свидетельствует не о самопроизвольном образовании зародышей, а о кристаллизации на готовых зародышах. Роль таких зародышей могут играть частицы нерастворимых примесей, включения [c.95]

Образование двумерного зародыша (т. е. зародыша одноатомной толщины) на плоских гранях кристалла (рис. 20, а, поз. 3). Двумерный зародыш должен иметь размер не меньше критического. При меньшем размере зародыш не будет устойчив, так как вследствие образования дополнительной поверхности раздела свободная энергия системы возрастает. [c.33]

Образовавшийся кристаллик цементита будет расти только 15 том случае, если зародыш окажется больше определенного объема, называемого критическим. Кристаллики размером меньше критического самопроизвольно распадаются. Чем меньше степень переохлаждения, тем большим должен быть размер устойчивого зародыша кристалла цементита. При малых степенях переохлаждения вероятность образования устойчивого зародыша относительно невелика. Таких зародышей появляется мало в единицу времени в единице объема. С увеличением степени переохлаждения размер устойчивого зародыша уменьшается и число центров кристаллизации, образовавшихся в единице объема в единицу времени, увеличивается. [c.122]

Рост микрокристаллов вначале происходит раздельно в пределах зоны, в которой образовался зародыш, и между кристаллами имеются дворики , где осаждение металла не происходит. Поэтому первичные слои осажденного металла являются довольно пористыми. Затем кристаллы сливаются, образуя границы зерен, на которых могут концентрироваться примеси из электролита, а также молекулы и ионы, содержащиеся в растворе. Обычно при осаждении металла на чужеродную основу образовавшиеся кристаллы ориентированы хаотично и их рост в вертикальном и горизонтальном направлениях идет с различными скоростями. Однако, в связи с тем, что сами кристаллы растут неравномерно, причем большие из них по размерам растут с большей скоростью, в момент слияния кристаллы малых размеров (не достигшие определенного критического размера) прекращают свой рост. В результате при увеличении толщины осадка число растущих зерен уменьшается и возрастает их размер. [c.34]

В первом случае распад начинается при температуре вблизи точки 1 (для сплава I). Кристаллы р-фазы образуются преимущественно на границах зерен, так как работа образования центра кристаллизации на границе зерна меньше, чем внутри зерна. Критический размер зародыша должен быть относительно большим, так как переохлаждение мало. Дальнейшее охлаждение должно повести как к выделению новых кристаллов, так и к росту выделившихся. Образующиеся кристаллы -фазы не имеют определенной ориентации относительно исходной а-фазы, а внешняя форма их прибли- [c.92]

Степень переохлаждения велика, поэтому образование центров кристаллизации возможно не только на границах, но и внутри зерен, при этом критический размер зародышей новой фазы будет малым, а число возникающих центров кристаллизации велико. Растущие кристаллики р-фазы не могут принять устойчивой сферической формы, так как такие сферические образования вызывали бы в упругой среде значительные внутренние напряжения. Поэтому кристаллики приспосабливаются, приобретают пластинчатую форму (образование тонких пластиночек не вызовет больших внутренних напряжений). Действительно, кристаллики новой фазы, выделяющиеся из сильно переохлажденных твердых растворов, имеют, как показали опыты, очень малые размеры. Толщина их — несколько атомных слоев, а протяженность — несколько десятков или сотен атомных слоев. Однако такой тонкий кристаллик самостоятельно существовать не может, он может существовать лишь приклеенным к крупному кристаллу (точнее внутри его). [c.97]

Однако следует учитывать, что необходимое для образования неметаллических включений пересыщение в реальных условиях может быть значительно меньше величин, полученных в работе [47]. Это связано с тем, что при расчете [47] расплав принимали за гомогенную среду. В действительности в сварочной ванне находятся тугоплавкие частички кварца, корунда, мельчайшие кристаллы металла и т. д. Известно, это показали термодинамические расчеты [56, 57] и эксперименты [58], что образование новой фазы в гетерогенной среде происходит значительно легче, чем в однородной. В случае гетерогенного образования зародыша критического размера изменение изобарного потенциала будет [59] [c.49]

При исследовании аналогичной проблемы для случая, когда одной из подсистем является твердое тело, не возникает причин для получения иного в качественном отношении результата. В техническом отношении все будет много сложнее, так как при оценке критического размера кристаллического зародыша необходимо будет учитывать его геометрические особенности, откровенную анизотропию его свойств, выделять фани преимущественного роста кристалла и т.д. [c.117]

Свободная поверхностная энергия —важная термодинамическая характеристика, величина которой определяет протекание многих процессов. Вероятность образования зародышей новой фазы при фазовых переходах (гл. 8) в химических реакциях (гл. 9) и росте кристаллов (гл. И) определяется тем, могут ли зародыши увеличиться до критических размеров, а росту зародышей главным образом препятствует общее увеличение свободной энергии за счет поверхностной энергии зародышей. Поверхностная энергия также является определяющим параметром во всех процессах и явлениях, связанных со смачиванием, таких, как адгезия, флотация, действие моющих средств и т. д. Краевой угол смачивания и смачиваемость твердого тела характеризуются широко известными термодинамическими уравнениями, включающими поверхностные энергии и энергию поверхности раздела твердой и жидкой фаз. Так, самопроизвольное растекание жидкости по поверхности твердого тела обусловлено уменьшением свободной энергии оно происходит тогда, когда величина поверхностной энергии твердого тела превышает сумму поверхностной энергии жидкости и энергии поверхности раздела между твердым телом и жидкостью. [c.181]

Увеличение размера зарождающегося кристалла вначале приводит к росту свободной энергии (так как объем V мал, а поверхность S относительно велика) (рис. 30). Но при некотором критическом значении увеличение ваз-мера зародыша приведет к уменьшению Дф. [c.49]

Возникновение микроскопических пор, кроме того, связано с образованием скоплений вакансий при кристаллизации стали. Источником зародыша поры критического размера (Б. Я-Любов, А. П. Семенов [88, с. 233— 240]) в растущем кристалле служат вакансии и пересы-щенность растворенными атомами газа. Примесные атомы, дислокации, области напряжений сдвига и другие дефекты могут ускорять или замедлять в зависимости от скорости направленного роста кристалла перенос вакансий и избыточных газовых атомов к поре. Скорость диффузии вакансий к поре вдоль дислокаций и границ зерен увеличивается. При незначительных пересыщениях атомы газа диффундируют через раствор из маленьких пор в большие. Возникновение напряжения вследствие градиента температур способствует перемещению пор малых размеров и их коагуляции. Скорость передвижения поры обратно пропорциональна ее радиусу. При некоторой оптимальной для данного вещества скорости передвижения форма пор изменяется из сферической в эллипсоидальную. [c.101]

Следовательно, с увеличением степени переохлаждения (или с понижением температуры кристаллизации) размер критического зародыша уменьшается, тогда и работа, необходимая для его об-разова1птя, будет меньше. Поэтому с увеличением стеиени переохлаждения АТ, когда к росту способны зародыши все меньшего размера, сильно возрастает число зародышей (центров) кристаллизации (ч. з.) или скорость образования этих зародышей (с. р.) (см. рис. 22) Рост зародьппей кристаллизации происходит в результате перехода атомов из переохлажденной л идкости к кристаллам. Кристалл растет послойно, при этом каждый слой имеет одноатомную толщину. Различают два элементарных процесса роста кристаллов, [c.33]

Исследование мартенситных преврашений в ряде сплавов железа и титана показало, что уменьшение размера кристаллитов сопровождается подавлением мартенситных переходов [16]. Так, критический размер зерна, ниже которого мартенситное превращение при охлаждении сплава Tio 5Nio,25 uo,25 не происходит, составляет 15 — 25 нм. Теоретическое рассмотрение этого вопроса, основанное на анализе условий зарождения мартенситных кристаллов, показало, что объемная доля конечного продукта мартенситного превращения и температура начала превращения зависят от исходного размера кристаллитов по закону Физическое объяснение роли размерных эффектов в данном случае заключается в том, что с уменьшением диаметра зерна размер критического зародыша для мартенситного превращения становится больше размера кристаллитов. [c.59]

При избирательной кристаллизации сплава зародыш отличается от расплава и составом. Состав зародышей критического размера теоретически исследовался в работах [110, 221, 243, 311]. Пренебрегая зависимостью межфазной поверхностной энергии от размеров кристалла, задачу о химическом составе зародыша можно свести к следующему. Зародыш критического размера находится в равновесии с переохлажденной жидкостью, если AfiA,2 = О и Д .1б,2 = = 0. Воспользовавшись уравнением (13), определим хими- [c.38]

Процесс образования новой фазы состоит в возпикновоиии ее зародышей и их росте. Образование зародыша требует увеличения поверхностной энергии из-за создания новой поверхности, однако при этом освобождается часть объемной свободной энергии, поскольку кристалл новой фазы обладает мепьшей ее величиной. В результате изменение суммарной свободной энергии при росте кристалла изобразится кривой с (рис. 19). Размер зародыша г,, —критический, его рост сопровождается уменьшением свободной энергии другими словами, только зародыши размером могут расти. С понижением температуры или с ростом степени переохлаждения размер критического зародыша уме1 ьша-ется вследствие увеличения выигрыша свободной объемной энергии при образовании новой фазы. По этой причине скорость превращения с ростом степени переохлаждения должна возрастать. Однако в этих условиях уменьшается диффузионная подвижность атомов, необходимая для образования зародыша новой фазы, поэтому, например, в случае полиморфных превращений металлов скорость превращения по диффузионному механизму сначала растет, а затем убывает. В случае превращения в сплавах составы исходной и образующихся фаз, за исключением мартенситных превращений, отличаются между собой, а для превращения требуются процессы диффузионного перераспределения атомов компонентов, скорость которых резко убывает при снижении температуры. Отсюда увеличение степени переохлаждения ведет сначала к ускорению, а потом к замедлению превращения и к полному (практически) прекращению превращения из-за отсутствия диффузионных перемещений (рис. 20). [c.38]

Возникновение зоны замороженных кристаллов связывают со степенью переохлаждения расплава при его соприкосновении со стенкой изложницы. Зарождение ц. к. в периферийной зоне слитка может происходить спонтанйо и на активированных и изоморфных нерастворимых примесях. При спонтанном зарождении переохлаждение слоя жидкости, прилегающего к стенке изложницы, зависит от работы образования зародышей в расплавленной стали. Чем выше работа образования зародышей, тем больше переохлаждение, при котором спонтанно возникают зародыши критического размера. [c.77]

Если зарождение атом-вакансионных состояний гомогенно и существует накачка через поверхность, то конденсация атом-вакансионной фазы начнется вблизи поверхности после преодоления порога. Последующее нарастание возбуждения увеличивает число атом-вакансионных нар и область атом-вакансионных состояний во -вдем объеме кристалла. В случае гетерогенного зарождения существует критический размер зародыша для образования атом-вакансионных фаз. При этом их образование будет определяться объемом V, общей концентрацией N областей атом-вакансионных состояний во всем объеме кристалла, их поверхностной энергией и мощностью накачки "f. [c.12]

В настоящее время принято выделять три стадии роста совокупности кристаллов зарождениям коалесценции и роста. Ограничимся случаем, когда совокупность кристаллов возникает на некой материальной поверхности. Стадия зарождения характерна тем, что на этой поверхности образуются скоплеьшя атомов, расстояния между которыми близки к расстояниям между атомами в кристаллах. Когда эти скопления малы, они не являются устойчивыми образованиями. Всегда существует вероятность, что такое скопление распадается, а атомы либо войдут в состав другого скопления — зародыша, либо на их основе возникнет новое скопление. Нельзя было бы вырастить кристалл, если бы скопление атомов, достигшее определенного размера, не становилось устойчивым. Такое скопление атомов является устойчивым зародышем, который способен к дальнейшему росту. В связи с этим принято характеризовать зародыши критическим размером. Если размер зародыша меньше критического, то он неустойчив и дальнейший его рост маловероятен если - больше, то он устойчив и может развиваться. [c.16]

Первичная рекристаллизация происходит за счет разницы в свободных энергиях деформированных зерен с высокой плотностью дислокаций и бездислокационных зерен. При ее описании можно использовать тот же математический аппарат, что и при описании фазовых превращений зарождения и роста кристаллов. Из уравнения (2.75) следует, что бездислокационные зародыши зерен с размером больше критического. могут спонтанно расти, что приводит к уменьшению полной свободной энергии. Экспериментальные данные подтверждают идею о том, что зародыши формируются не в результате статистических флуктуаций (в объеме), а представляют собой локальные вздутия на большеугловых границах зерен. Отметим, что любая граница с достаточно высокой разориентацией, образовавшаяся в процессе деформирования, может локально выгибаться и вздутия на ней могут расти за счет миграции границ, вызванной деформацией (МГВД) (рис. 2.25) [19]. Большеугловые границы могут быть полосами излома или двойниковыми границами, например, в галените [233], энстатите [112], слюде [ИЗ] или оливине (рис. 2.26). МГВД также происходит на границах [c.89]

При гетерогенном зарождении, как известно, могут играть роль разные дефекты дислокации, субграницы, высокоугловые границы, несплошности, характеризующиеся избытком энергии. Если они оказываются в зоне зародыша, энергия, необходимая для его образования, уменьшается на величину энергии дефекта. С линейными и поверхностными дефектами типа субгранид и границ кристаллов связан сравнительно небольшой избыток энергии и поэтому они эффективны лишь при значительных пересыщениях. Формирование же графита при отжиге белых чугунов обычно происходит при небольших пересыщениях. Расчеты показывают [123], что в этих условиях линейные и поверхностные дефекты малоэффективны при образовании графитного зародыша, например, на дислокации, критические размеры всего на 2—3% меньше, чем в бездефектном участке, а при зарождении на межфазной ФЩ границе — на 4—5%. Лишь при зарождении в полостях, характеризующихся большой избыточной энергией, возможно формирование графита при малых пересыщениях. Эффективность полостей зависит и от их фор мы. Наиболее удобным местом для зарождения графита являются края тонких трещинок и незахлопнув-шихся дисковидных скоплений. вакансий. [c.144]

Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что нарушения правильности кристаллической структуры играют большую роль в кинетике мартенситного превращения. Рост мартенситного зародыша, когда его размеры становятся больше критических, наиболее легко протекает в кристалле аустенита с правильным строением. Однако зарождение кристалликов мартенсита в кристалле аустенита без нарушений строения сильно затруднено. Это, по-видимому, связано с больщой работой образования зародыша при кооперативных перемещениях атомов в идеальной решетке вследствие противодействия упругих сил. Поэтому необходимо очень большое переохлаждение ниже Та, чтобы за счет увеличения понизить эту работу и сделать возможным флуктуационное образование зародыша мартенсита в идеальной решетке аустенита. Однако это переохлаждение может оказаться столь большим, что уже средняя энергия тепловых колебаний в з гон области температур будет мала для достаточно частого образования необходимых флуктуаций. Так как для марТенситного превращения эта область температур лежит ниже комнатной, то в аустенигге с идеальной решеткой мартенситное превращение при температурах ниже комнатной может совсем не пойти, несмотря на большое переох-лажденпе. [c.688]

Характерным для мартенситного превращения является возникновение вокруг растущих кристаллов поля напряжений, что связано главным образом со сдвиговым характером перестройки атомов. Отсюда следует, что переохлаждение ниже Го необходимо не только для уменьшения работы образования (зародыша критического размера, т. е. зародыша, способного к росту (после образования такого зародыша рост мог бы происходить и при меньшем переохлаждении) за счет увеличения Д/. Оно необходимо также для того, чтобы за счет ДР компенсировать ту большую упругую энергию, которая возникает после образования кристалла мартенсита конечных равмеров. Поэтому подготовленные места не могут быть использованы выше некоторой температуры, когда F по абсолютной величине меньше упругой энергии, возникающей при образовании всего кристалла. Этой температурой, по-видимому, и является мартен-ситная точка. [c.689]

Превращение аустенита в мартенсит происходит в том случае, если аустенит переохлажден до такой температуры, при которой диффузионные процессы затруднены и свободная энергия мартенсита ниже свободной энергии аустенита. Кристаллы мартенсита развиваются из зародышей, источниками которых служат области флуктуаций, где возникла упаковка атомов, соответствующая кристаллической решетке мад-тенсита. Эти области, существующие в аустените, могут стать центрами кристаллизации, если температура достаточно понижена, чтобы указанные области оказались в пределах критического размера зародыша. [c.393]

Что же касается причин чувствительности процесса зародышеобра-зования кристаллов к действию магнитного поля, то по этому вопросу существуют различные предположения. Некоторые исследователи [Л. 8] полагают, что здесь сказывается влияние магнитного поля на критические размеры зародыша и через них на величину работы, затрачиваемой на его образование. Другие считают, что центры кристаллизации могут образовываться при действии поля на неустойчивые гетерофазные флуктуации, всегда имеющиеся в насыщенных растворах, [Л. 6]. Наиболее четкое представление о механизме действия вненшего магнитого поля на раствор связано с предположением об изменении характера протекания процесса зародышеобразования под влиянием гидратации ионов [Л. 9]. Увеличение вероятности сближения разноименных частиц с нарушениями в результате магнитного воздействия гпдратными оболочками создает возможность появления сложных ионных комплексов, которые в дальнейшем могут служить центрами кристаллизации. Эти пред- [c.118]

Причиной возникновения зародышей кристаллов в растворах является флуктуация концентраций, в результате чего образуются дозародыши кристаллов, представляющие собой скопления молекул или ионов растворенного вещества. Дозародыши могут быстро образовываться под действием теплового движения молекул раствора. В случае столкновения друг с другом такие скопления либо распадаются, либо укрупняются. Когда при укрупнении размер дозародышей достигает некоторой критической величины, образуются зародыши кристаллов. Начиная с некоторого критического размера Гкр, составляющего 0,5-5 нм, начинается быстрый рост зародышей и образование большого числа кристаллов различного размера. Чем меньше критический размер кристалла тем больше должна быть степень пересыщения раствора. Эта закономерность выражается следующим уравнением [c.296]

Измельчение субзерен — фрагментов и расположенных внутри них блоков сопровождается существенным увеличением углов разориентировки и нарушением когерентности решетки у поверхностей раздела. Одновременно с увеличением степени деформации аустенита интенсифицируется блокировка примесными атомами и вакансиями всех этих поверхностей раздела, а также скоплений дислокаций внутри блоков. В подобных условиях даже границы блоков не только не должны являться дополнительными местами образования мартенситных кристаллов, но и могут служить препятствиями при росте зародышей (возникающих внутри блоков) по крайней мере на стадии достижения ими критических размеров. Что же касается отдельных дислокаций и их скоплений внутри блоков, то их роль в качестве готовых зародышевых центров мартенситных кристаллов определяется степенью развития процесса термической стабилизации аустенита. Повышение температуры деформации (до известного предела, определяемого устойчивостью облаков Коттрелла) и снижение последующей скорости охлаждения способствуют блокированию дислокаций за счет диффузии примесных атомов и уменьшают вероятность образования мартенситных кристаллов в этих местах. Для зарождения кристаллов становятся необходимыми сдвиги в других свободных от закрепленных дислокаций участках объемов блоков. [c.167]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...