Формирование структуры металла при кристаллизации Гомогенная кристаллизация

Формирование структуры металла при кристаллизации Гомогенная кристаллизация

Гомогенная (самопроизвольная) кристаллизация Кристаллизация – переход металла из жидкого состояния в твёрдое (кристаллическое). Кристаллизация протекает в условиях, когда система переходит к термодинамически более устойчивому состоянию с меньшей энергией Гиббса (свободной энергией) G. Если превращение происходит с небольшим изменением объёма, то G = E - TS где E – полная энергия (внутренняя энергия фазы), T – абсолютная температура, S – энтропия. Выше температуры Tп более устойчив жидкий металл, имеющий меньший запас свободной энергии, ниже температуры Tп устойчив твёрдый металл. При температуре Tп значения энергии Гиббса металла в твёрдом и жидком состояниях равны. Температура Tп соответствует равновесной температуре кристаллизации (плавления) данного вещества, при которой лбе фазы (жидкая и твёрдая ) могут существовать одновременно.

Гомогенная (самопроизвольная) кристаллизация Процесс кристаллизации развивается, если созданы условия, когда возникает разность энергий Гиббса ∆G между жидкой и твёрдой фазами. Процесс кристаллизации может протекать только при переохлаждении металла ниже равновесной температуры Tп. Разность между температурами Тп и Тк при которых может протекать процесс кристаллизации, носит название степени переохлаждения: ∆Т = Тп - Тк При очень медленном охлаждении степень переохлаждение невелика и процесс кристаллизации протекает при температуре, близкой к равновесной Тп. С увеличением скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает. Чем чище жидкий металл, тем более он склонен к переохлаждению. На термической кривой при температуре кристаллизации отмечается горизонтальная площадка – выделение скрытой теплоты кристаллизации. Кривые охлаждения металла при кристаллизации: v 1

Гомогенная (самопроизвольная) кристаллизация Процесс кристаллизации начинается с образования кристаллических зародышей (центров кристаллизации) и продолжается с ростом их числа и размеров. Схема кристаллизации металла

Гомогенная (самопроизвольная) кристаллизация При температурах, близких к температуре плавления в жидком металле возможно образование небольших группировок, с упаковкой атомов аналогичной упаковке в кристалле. Такие группировки называются фазовыми (или гетерофазными) флуктуациями. В чистом от примесей жидком металле наиболее крупные Модель кристаллической (а) и жидкой (б) и (в) фаз металла гетерофазные флуктуации превращаются в зародыши (центры кристаллизации).

Гомогенная (самопроизвольная) кристаллизация Рост зародышей возможен только при условии, если они достигли определённой величины, начиная с которой их рост ведёт к уменьшению энергии Гиббса. В процессе кристаллизации энергия Гиббса системы, с одной стороны, уменьшается на V∆Gv вследствие перехода некоторого объёма жидкого металла в твёрдую фазу, а с другой стороны, возрастает в результате образования поверхности раздела с избыточной поверхностной энергией, равной S. Общее изменение энергии Гиббса можно определить из выражения: ∆Gобщ = - V∆Gv + S V- объём зародыша, ∆Gv – разность энергий Гиббса жидкого и твёрдого металла, S – суммарная площадь поверхности кристалла, - удельное поверхностное натяжение на границе жидкость – кристалл.

Гомогенная (самопроизвольная) кристаллизация Чем меньше величина зародыша, тем выше отношение его поверхности к объёму, а следовательно, тем большая часть общей энергии приходится на поверхностную энергию. Зародыш размером больше Rк устойчив и способен к росту, так как при увеличении его размера энергия Гиббса системы уменьшается.

Гомогенная (самопроизвольная) кристаллизация Минимальный размер зародыша Rк, способного к росту при данных температурных условиях, называется критическим размером зародыша, а сам зародыш критическим или равновесным. Rк = 4 /∆Gv При температуре, близкой к Тп, размер критического зародыша должен быть очень велик, а вероятность его образования мала. С увеличением степени переохлаждения величина ∆Gv возрастает, а величина поверхностного натяжения на границе раздела фаз изменяется незначительно. С увеличением степени переохлаждения (или с понижением температуры кристаллизации) размер критического зародыша уменьшается, уменьшается работа, необходимая для его Образования.

Гомогенная (самопроизвольная) кристаллизация Рост зародышей происходит в результате перехода атомов из переохлаждённой жидкости к кристаллам. Кристалл растёт послойно, при этом каждый слой имеет одноатомную толщину. Различают два элементарных процесса роста кристаллов. 1. Образование двумерного зародыша (т. е. зародыша одноатомной толщины) на плоских 2. гранях возникшего кристалла. Двумерный зародыш должен иметь размер не меньше 3. критического. При меньшем размере зародыш не будет устойчив, так как вследствие 4. образования дополнительной поверхности раздела энергии Гиббса системы возрастает. 5. 2. Рост двумерного зародыша путём поступления атомов из переохлаждённой жидкости.

Не радуйтесь, это ещё не конец раздела о гомогенной кристаллизации, а на следующей лекции контрольная точка.