Законы роста зерна

Согласно второму началу термодинамики, всякое тело стремится к наименьшему запасу энергии. Энергия, сосредоточенная в теле, может быть как тепловой, так и свободной поверхностной. В одном и том же объеме мелкие зерна имеют большую суммарную поверхность и обладают большим запасом свободной поверхностной энергии, чем крупные. Поэтому мелкие зерна имеют большую термодинамическую неустойчивость и при подходящих условиях стремятся вырасти в крупные. Мелкие зерна стремятся как бы слиться друг с другом и уменьшить внешнюю поверхность, т. е. отдать запас их свободной энергии. Очевидно, наиболее устойчивой структурной формой металла является форма однокристальная, из одного зерна. Основные факторы, способствующие росту зерна:

1) температура (с ее повышением увеличивается подвижность атомов и возможность преодоления атомных связей решетки);
2) время;
3) разница в размерах зерен (более крупные зерна растут за счет мелких);
4) отсутствие внутренних препятствий, механически тормозящих рост зерна, а иногда и совсем прекращающих его.

Например, у вольфрамовой нити электролампы, находящейся длительное время в условиях высокой температуры, происходит сильный рост зерна: крупнозернистая нить обрывается под действием собственного веса и сотрясений. Это особенно важно в таком деле, как изготовление деталей чпу. Чтобы предотвратить это явление, в вольфрам добавляют небольшое количество окиси тория в виде очень мелких частичек, препятствующих росту зерна нити электроламп; это сильно увеличивает долговечность нитей и их устойчивость в отношении обрыва при сотрясениях. Прокатка, волочение и штамповка, разламывая зерна на неоднородные остроугольные мелкие части, повышают их термодинамическую неустойчивость и, разрушая оболочки, препятствующие росту зерен, повышают у металлов способность к росту зерна. Механизм роста зерна заключается в том, что атомы менее устойчивых зерен перескакивают с их решетки на решетку более устойчивых зерен. Происходит процесс поглощения неустойчивых мелких зерен их более устойчивыми крупными соседями.