1.2.1 Механизм зарождения кристаллов

Различают два типа зарождения кристаллов: гомогенное и гетерогенное. Гомогенное зарождение кристаллов - это образование зародышей кристалла в объеме жидкой фазы. Гетерогенное зарождение кристаллов - это образование зародышей кристалла на уже имеющейся межфазной поверхности (неметаллические включения, стенки изложниц).

Механизм гомогенного зарождения кристаллов

В жидком металле вблизи точки кристаллизации непрерывно образуются группировки атомов с упорядоченной структурой - зародыши твердой фазы. Однако одновременно происходит разрушение большей части из них. Для того, чтобы зародыши стали термодинамически устойчивыми, то есть способными к дальнейшему росту, необходимы определенные условия.

Условия гомогенного зарождения кристаллов.

Переход жидкости в твердое состояние и наоборот возможен, если свободная энергия системы (энергия Гиббса) уменьшается. При температуре кристаллизации свободная энергия жидкой и твердой фаз равны и следовательно образование зародыша невозможно. Поэтому необходимо некоторое переохлаждение расплава. При конкретной величине переохлаждения способными к дальнейшему росту оказываются те зародыши, размер которых превысит критический.

Критический радиус зародыша определяется по формуле:

, (1)

где - межфазное натяжение на границе жидкой и твердой фаз;

- температура начала кристаллизации;

- скрытая теплота кристаллизации;

- величина переохлаждения.

То есть при увеличении степени переохлаждения () критический радиус зародыша уменьшается и возрастает интенсивность образования устойчивых зародышей.

Фактически для реализации механизма гомогенного зарождения кристаллов необходимая величина переохлаждения составляет 3000С. При гетерогенном зарождении кристаллов достаточно переохлаждения в несколько градусов.