Кристаллизация металлов

В природе существуют 4 агрегатных состояния вещества (твердое, жидкое, газообразное и плазма). Переход из одного состояния в другое называется превращением. Переход из жидкого состояния в твердое состояние называется кристаллизацией, а обратный переход - плавлением.

В природе любой процесс, в том числе и кристаллизация, развивается самопроизвольно в том случае, если при этом энергия Гиббса понижается (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Изменение энергии Гиббса для металла в жидком и твердом состояниях в зависимости от температуры

Т_S - теоретическая (или равновесная) температура кристаллизации (плавления). При Т_S кристаллизация не идет, так как нет понижения энергии.

Т₁ - реальная температура кристаллизации. При Т₁кристаллизация пойдет, так как есть понижение энергии Δf (рис. 6).

Разность температур Δ Т₁ = Т_S-T₁называется степенью переохлаждения, а понижение энергии Δf = Е_ж - Е_тв - это движущая сила кристаллизации.

Следовательно, кристаллизация идёт только при наличии степени переохлаждения. Чем больше ΔТ, тем больше Δf, и кристаллизация идет быстрее.

Д.К.Чернов впервые показал, что кристаллизация состоит из двух элементарных процессов:

· образование зародыша твердой фазы;

· его рост.

Рис. 1.7. Микроструктуры крупнозернистого а) и мелкозернистого б) металла

Чем больше скорость охлаждения при кристаллизации, тем больше степень переохлаждения и кристаллизация идет быстрее, то есть больше образуется зародышей твердой фазы и растут они быстрее. В результате получаем более мелкозернистую структуру (рис. 1.7) и комплекс механических свойств будет выше. Это связано с тем, что вредные примеси в стали располагаются в основном по границам зерен, так как они легкоплавкие и кристаллизуются в последнюю очередь.

Основными вредными примесями в стали являются сера и фосфор, и их содержание ограничено ГОСТом. В крупнозернистой стали этих вредных примесей по границам зерен будет намного больше, чем в мелкозернистой, то есть хрупкость по границам зерен в крупнозернистой стали намного больше, что и приводит к быстрому разрушению, которое идет в основном по границам зерен.