Плавление и кристаллизация металлов

При нагреве или охлаждении металла переход из одного состояния в другое происходит с возникновением или разрушением кристаллической решётки и сопровождается тепловым эффектом. Вследствие этого металлы переходят из одного состояния в другое при постоянных температурах, и на кривых охлаждения или нагрева наблюдаются температурные остановки (см. рис.1).

Т_пл – температура плавления металла;

Участки 1-2 и 4-5 – переход металла из одного состояния в другое.

В т.1 происходит разрушение кристаллической решётки. На участке 1-2 вся тепловая энергия идёт на её разрушение. Металл переходит из твёрдого состояния в жидкое – процесс плавления. При этом увеличивается объём металла на 2…6% за счёт увеличения расстояния между атомами, силы взаимодействия при этом между атомами гораздо меньше, чем в твёрдом металле.

Рисунок 1

Для жидкости характерен ближний порядок, когда упорядоченное расположение атомов распространяется на небольшое расстояние. Этот порядок неустойчив. При температурах, близких к температуре плавления, в жидком металле наблюдаются области, в которых расположение атомов, близко к расположению атомов в твёрдом кристаллическом теле. Эти области называются фазовыми флуктуациями. Наиболее крупные флуктуации при определённых условиях могут стать зародышами кристаллов (центрами кристаллизации). Чтобы начался процесс кристаллизации необходимо переохладить металл ниже температуры плавления.

∆Т= Т_пл -Т_кр – тепловой гистерезис (несовпадение температуры плавления и температуры кристаллизации). Величина переохлаждения определяется природой металла, наличием примесей в металле, скоростью охлаждения (рис. 2). Если примесей мало, то металл надо значительно охладить.

Рисунок 2

Переход металла из жидкого состояния в твёрдое (процесс кристаллизации) связан с возникновением кристаллической решётки. Этот процесс происходит при постоянной температуре, что обусловлено выделением скрытой теплоты кристаллизации (участок 4-5 на рис. 1).

1.5.1 Энергетические условия процесса кристаллизации

В природе все процессы идут в сторону уменьшения энергии системы. Состояние системы определяется особой функцией – свободной энергией.

F = U – TS,где

F – свободная энергия системы;

U – внутренняя энергия системы;

Т – температура;

S – энтропия.

С увеличением температуры свободная энергия жидкого F_ж и твёрдого F_тв тела уменьшается (рис. 3).

Рисунок 3

При Т₀ F_тв = F_ж – энергетически равноценны твёрдое и жидкое состояние вещества. Поэтому процессы плавления и кристаллизации происходить не будут (динамическое равновесие).

При Т₁ F_тв1 < F_ж1 – энергетически выгодно твердое состояние.

При Т₂ F_ж2 < F_тв2 – энергетически выгодно жидкое состояние.

Для начала кристаллизации вещество необходимо охладить ниже Т₀, а для плавления нагреть выше Т_0.

∆ Т_{переохлажд.}=Т₀-Т₁ – степень переохлаждения,

∆ Т_{перегрева.}=Т₂-Т₀ – степень перегрева.