4.2. Гомогенная кристаллизация

Следует учитывать, что суммарное изменение термодина­мического потенциала G_ при фазовых превращениях состоит как минимум из двух слагаемых: выигрыш (снижение) потенциала за счет образования в каком-то объеме более устойчивой фазы G_V и проигрыш (возрастание) потенциала за счет образования границ раздела между старой и новой фазами. G_S

G_=-G_V+G_S (4.5)

Границы раздела - это всегда участки с повышенным значением термо­динамического потенциала за счет возникающего между фазами поверх­ностного натяжения. Наименьшую энергию на поддержание системы в равновесии имеет тело равноосной формы, т.е. шара. Если поперечный размер возникающего равноосного кристалла - r, то термодинамический энергетический выигрыш (снижение G_V) пропорционален r³, а проигрыш (повышение G_S) - r² (рис 4.2).

(4.6)

(4.7)

Определим критический размер частицы r, а для этого продифференцируем G_ по r и приравняем к 0.

;



Следовательно суммарная кривая имеет максимум при r= r_кр. Таким образом зарождающиеся кристаллы с r< r_кр энергетически невыгодны и самопроизвольно растворяются, а существование кристаллических участков с r> r_кр является термодинамически выгодным и они самопроизвольно растут. Следует учесть, что коэффициент поверхностного натяжения  слабо зависит от температуры, а G заметно растет при повышении переохлаждения Т. Отсюда следует, что r_кр тем меньше, чем больше переохлаждение. Так, например, для железа при Т = 10° r_кр = 100нм, а при Т = 100°, r_кр = 10нм.

Зарождение кристаллов, т.е. участков по строению подобных кристаллическому (кластеров), в расплаве – процесс статистический, поэтому, чем меньше r_кр , тем больше вероятность зарождения кристаллов с r>r_кр, а значит в единице объема количество зародившихся кристаллов оказывается большим, а их окончательный размер – меньшим. Таким образом, меняя величину переохлаждения, т.е. скорость охлаждения при кристаллизации, можно оказывать влияние на структуру, а значит и на свойства отливок.