Реальные процессы кристаллизации

Следует подчеркнуть, что реальные процессы кристаллизации определяются не только законами самопроизвольного зарождения центров кристаллизации и роста зерен вокруг них, на них сказываются также влияние стенок формы, их дефектов и субмикроскопические включения. Знание основных законов кристаллизации и искусственное регулирование числа центров кристаллизации позволяет получать мелкозернистую структуру сплавов с высокими механическими свойствами, т. е. производить их модифицирование. Кривые охлаждения. О ходе процесса кристаллизации металла можно судить по кривым охлаждения в координатах температура— время. Определенные опытным путем кривые охлаждения при кристаллизации металлов из жидкого состояния показывают, что при температуре кристаллизации на кривой отмечается горизонтальная площадка, что указывает на выделение тепла в процессе кристаллизации, компенсирующего потерю тепла во внешнюю среду, при этом площадка на кривой охлаждения располагается несколько ниже равновесной температуры плавления, что указывает на переохлаждение металла.

Это переохлаждение у некоторых металлов может быть очень большим, например для сурьмы = 631°, а температура ее переохлаждения может достигать 41°, т. е. кристаллизация начнется при 590°. У таких металлов на кривой охлаждения нередко наблюдается петля, указывающая на то, что в результате большого переохлаждения сразу образуется большое число центров кристаллизации, рост кристаллов происходит так бурно, что температура скачкообразно повышается. Многие технические металлы заметного переохлаждения не имеют. Как раз такие и используются в промышленности для изготовления таких механизмов, как подъемные краны и иные грузоподъемные устройства. Величина переохлаждения зависит от сложности решетки металла и от скорости его охлаждения и при прочих равных условиях становится тем больше, чем сложнее решетка и больше скорость охлаждения. При нагреве металлов, наоборот, сразу же после достижения точки плавления появляется жидкая фаза, так как у кристаллов не наблюдается заметного перегрева при переходе в жидкое состояние. Аморфное тело затвердевает постепенно вследствие уменьшения подвижности частиц, и кривая его охлаждения на всем протяжении идет плавно.

Образование кристаллических зерен. При затвердевании расплавленного металла (или при изменении кристаллической структуры в твердом состоянии) в металле могут образовываться большие количества центров кристаллизации. Вокруг этих центров группируются атомы, и вначале кристаллы ограничиваются правильными (сравнительно) кристаллографическими плоскостями. Каждый из возникающих кристаллов, окруженных расплавленным металлом, ориентирован случайно и по-разному. При дальнейшем охлаждении такие кристаллы растут, увеличиваясь за счет атомов окружающего жидкого сплава или неустойчивой твердой фазы. Так как одновременно образуется много кристаллических центров и рост кристаллов идет по всем направлениям, то смежные кристаллы, увеличиваясь, входят в непосредственное соприкосновение друг с другом. Встреча таких кристаллов является одной из причин их неправильной, случайной, внешней формы, несмотря на их правильное внутреннее строение. В металловедении такие кристаллы называются зернами. В большинстве случаев зерна настолько мелки, что их приходится рассматривать при помощи металлографического микроскопа. Однако бывают зерна и очень крупных размеров, различимые невооруженным глазом.