Механизм процесса кристаллизации

Еще в 1878 году русский металлург Д. К. Чернов указал, что кристаллизация складывается из двух, параллельно протекающих процессов:

1. Формирование зародышей кристаллов или центров кристаллизации.

2. Рост кристаллов на данных зародышах.

Первое явление характеризуется числом центров кристаллизации, зарождающихся в единицу времени в единице объема – ч. ц., 1/см³·мин. Второй процесс определяется линейной скоростью роста кристаллов – с. р. или с. к., см/мин.

Гораздо позже немецкий ученый Тамман установил зависимость числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов от степени переохлаждения, которая в свою очередь характеризуется скоростью остывания

Каждый из этих параметров изменяется по закону кривых распределения, т. е. имеет максимум. При равновесной и более низких температурах, когда диффузия атомов замедлена, число центров и скорость роста равны нулю и процесс кристаллизации отсутствует. С увеличением степени переохлаждения ч. ц. и с. к. возрастают, достигая максимума, и затем снижаются. Если жидкость остынет до температуры точки а, в которой число центров мало, а скорость роста кристаллов велика, при кристаллизации формируются крупные зерна. При переохлаждении, соответствующем точке b, образуются мелкозернистые кристаллы, так как в этом случае скорость роста кристаллов незначительна, а центров кристаллизации много. В случае, когда температура остывания соответствует точке с, где ч. ц. и с. к. становятся равными нулю, кристаллизация прекращается (рис. 1.14).

В начале формирования зародышей кристаллы растут свободно, сохраняя правильную форму. Минимальный размер способного к росту зародыша называется критическим, а такой зародыш – устойчивым. Чем больше степень переохлаждения, понижающая свободную энергию металла, тем меньше критический размер зародыша.

Рис. 1.14 - Зависимость числа центров кристаллизации (чц) и скорости роста кристаллов (ск) от степени переохлаждения ΔТ

Вокруг сформировавшихся центров начинают расти кристаллы. По мере их увеличения в жидком металле продолжают возникать новые зачатки. Каждый из них ориентирован в пространстве произвольно. На определенной стадии кристаллизации соседние кристаллики сталкиваются друг с другом и срастаются. В этих местах рост обоих кристаллов прекращается, и происходит нарушение структуры кристаллической решетки. Такие кристаллы называются кристаллитами.

Размер зерен, образующихся в процессе кристаллизации, зависит не только от числа самопроизвольно зарождающихся центров, но и от количества нерастворимых примесей, всегда имеющихся в жидком металле, которые могут играть роль зачатков. Известно, что зародышами в металле могут быть только такие твердые частички, которые имеют небольшую разницу в размерах атомов и их кристаллическая решетка близка с таковыми основного металла. Чем больше данных частичек, тем мельче зерна закристаллизовавшегося металла.