logo
Kratkie_lektsii_po_materialovedeniyu_Anikin_And

1.2. Кристаллизация

Кристаллизация – процесс образования кристаллической решетки.

Чем объясняется существование при одних температурах жидкого, а при других – твердого(кристаллического) состояния? Почему этот переход осуществляется при строго определенной температуре?

Все самопроизвольно протекающие в природе превращения вызываются тем, что новое состояние является более устойчивым, обладает наименьшим запасом свободной энергии. Свободная энергия F – это та часть внутренней энергии, которая обратима и изменяется с температурой. При повышении температуры свободная энергия (F) уменьшается (рис. 1.4), причем неодинаково для жидкого и кристаллического состояния. Температура Тs – равновесная или теоретическая температура кристаллизации. При этой температуре Fж=Fтв. Для того, чтобы кристаллизация шла, надо охладить ниже Тs. Степень переохлаждения «n» это разность между теоретической и реальной температурой кристаллизации: n=Ts - Tкр.

Рис. 1.4. Изменение свободной энергии жидкого и кристаллического состояния в зависимости от температуры.

Д.К. Чернов установил, что процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов:

1) Возникновение центров кристаллизации или зародышей.

2) Рост кристаллов вокруг этих центров.

Зависимость с.к. и ч.ц. от степени переохлаждения была изучена ученым Г. Тамманом и графически представлена на рис.1.5.

Рис. 1.5. скорость роста кристаллов (с.к.) и скорость зарождения центров кристаллизации (ч.ц.) в зависимости от степени переохлаждения (Тs-Tкр.=n)

Выводы:

- при малых n (например, n1) структура металла будет крупнозернистой, т.к. ч.ц. мало, а с.к. велика (высокая температура обусловливает подвижность атомов).

- при больших переохлаждениях (например, n2) ч.ц. велико (критический размер зародыша уменьшается), а с.к. мала (уменьшается скорость диффузии), структура металла получится мелкозернистой.

Если охладить жидкость очень быстро, достигнув такого n, когда ч.ц=0 и с.к.=0, получим аморфное состояние (загустевшая жидкость). В настоящее время и металлические сплавы стали получать в аморфном состоянии (например, магнитные пленки), которое приводит к получению ряда уникальных свойств.