Procesul de cristalizare constă în două procese elementare: 1) nuclearea centrelor de cristalizare; 2) creșterea cristalelor din aceste centre.
La temperaturi apropiate de temperatura de solidificare a metalului lichid se formează mici grupuri de atomi, așa-numitele fluctuații în care atomii sunt ambalate precum și în cristale solide. O parte din aceste fluctuații formează nuclee sau centre de cristalizare. Cu o creștere a gradului de supracolire, crește numărul de centre de cristalizare care se formează pe unitate de timp.
Cristalele încep să crească în jurul centrelor de cristalizare formate. În același timp, în faza lichidă se formează noi centre de cristalizare. Creșterea masei totale a metalului solidificat are loc atât datorită apariției unor noi centre de cristalizare, cât și datorită creșterii celor existente. O diagramă a etapelor succesive ale procesului de solidificare este prezentată în Fig. 11.
Creșterea reciprocă a cristalelor explică forma neregulată a boabelor. Cristalele solide reale, care au primit o formă neregulată, se numesc cristalite.
Rata totală de cristalizare depinde de cursul celor două procese elementare. Acesta este determinat de viteza de nucleare a centrelor de cristalizare (C3) și de viteza de creștere a cristalelor din aceste centre (SR) (Figura 12). Valorile lui C3 și CP depind de gradul de supracolire. La temperatura de echilibru # 916; T = 0 și C3 = 0, CP = 0. Cu creșterea T diferența de energie liberă crește F = Fg - Tmv, și cu o bună mobilitate a atomilor, C3 și C3 cresc și ajung la un maxim. Reducerea ulterioară a SOC și CP se explică prin scăderea mobilității atomilor cu o scădere a temperaturii. La valori mici ale coeficientului de difuzie, este dificil să rearanjăm atomii lichidului în rețeaua cristalină a solidului. Cu super-răcire foarte puternică, C3 și Cs sunt zero și lichidul nu cristalizează, ci transformă într-un corp amorf.
Pentru metale reale, de regulă, numai ramurile ascendente ale curbelor C3 și CP sunt realizate și cu creștere T crește viteza ambelor procese.
În timp ce anterior a fost atinsă starea amorfă numai pentru săruri, silicați, substanțe organice, în prezent, o rată ridicată de răcire se realizează cu mations timp ispol'uet tehnici speciale (mai 10 iunie ° C / s) și un metal în stare sticloasă. Metalele în stare vitroasă sunt caracterizate de proprietăți fizico-mecanice speciale.
Dimensiunea boabelor depinde de raportul dintre ratele de nucleare și dezvoltare. La subrăcire scăzut, de exemplu, atunci când metalul este turnat în forma de lut cu o conductivitate termică scăzută sau sub formă de metal bask-, rata de creștere este mare, viteza nucleată este relativ mică. În acest caz, un număr relativ mic de cristale mari se formează în volum.
Odată cu creșterea T, în cazul turnării metalelor lichide în forme metalice reci, rata de nucleare crește, ceea ce duce la formarea unui număr mare de cristale mici.
Dimensiunea granulelor este determinată nu numai de gradul de supracolire. Un rol important îl are temperatura de încălzire și turnarea metalului, compoziția sa chimică și, în special, prezența impurităților străine. În condiții reale, nuclearea spontană a cristalelor într-un metal lichid este dificilă. Sursa formării nucleelor este reprezentată de diferite particule solide: incluziuni nemetalice, oxizi, produse de deoxidare.
Cu cat sunt mai multe impuritati, cu atat mai multe centre, cu atat cerealele sunt mai mici. Uneori se introduc substanțe introduse în metal, care, în timpul cristalizării, contribuie la rafinarea cerealelor. Această operație se numește modificare. Când magnezita este introdusă în aliaje de magneziu, boabele scad mai mult de 10 ori: de la 0,2-0,3 mm la 0,01-0,02 mm. Modificatoare pentru oțel sunt aluminiu, vanadiu, titan; pentru fontă - magneziu.
În cristalizarea lingourilor și a pieselor turnate, direcția de îndepărtare a căldurii joacă un rol important. Cristalizarea începe din pereții mucegaiului sau ale mucegaiului. În direcția eliminării căldurii, adică perpendicular pe peretele cristalului, cristalul crește mai repede decât în alte direcții. În acest caz se formează axe de ordinul întâi. În același timp, la marginile lor, apare nuclearea și creșterea axelor de ordinul doi perpendiculare pe ele
a treia, etc. Ca urmare, se formează un cristal ramificat, dendritic, numit dendrit.
Din moment ce așa-numita cristalizare selectivă are loc în timpul solidificării, adică, metalul mai pur se solidifică în primul rând, limitele granulelor sunt mai îmbogățite cu impurități. Eterogenitatea compoziției chimice din dendrit se numește lichid dendritic. Mai mult decât alte elemente de segregare sunt expuse la carbon, sulf, fosfor.
3. Întrebare: Transformările de fază în stare solidă.
Faza este o parte omogenă a sistemului, care este separată de cealaltă parte a sistemului (fază) de interfață, în trecerea prin care compoziția sau structura chimică se modifică brusc.
În cristalizarea metalului pur, există două faze în sistem: lichid (metal topit) și solid (granule metalice solidificate). În aliajele dure, fazele pot fi boabe de metal pur, boabe de soluții solide și boabe de compus chimic. Multe metale în stare lichidă se dizolvă una în cealaltă în orice raport. Ca urmare a dizolvării, se formează o soluție lichidă omogenă cu o distribuție uniformă a atomilor unui metal printre atomii unui alt metal. Datorită acestei interacțiuni în practică, pentru distribuirea uniformă a substanțelor în aliaj, ele sunt folosite pentru a le topi. Unele metale, care diferă foarte mult în mărimea atomilor, nu se dizolvă în stare lichidă, iar alte metale se dizolvă în stare lichidă într-un mod limitat. Când se formează aliaje în timpul solidificării lor, este posibilă o interacțiune diferită a componentelor.
Dacă în procesul de cristalizare forța de interacțiune dintre atomii omogeni este mai mare decât forța de interacțiune dintre atomi heterogeni, atunci după cristalizare se formează un amestec mecanic format din granule de metal pur. În acest caz, în aliajul solid vor fi granulele unui metal pur și lângă ele granulele unui alt metal pur. Această formă de interacțiune apare atunci când există o mare diferență în proprietățile metalelor care intră în aliaj.
O altă formă de interacțiune între substanțele care alcătuiesc aliajul este formarea de soluții solide.
Soluțiile solide sunt faze solide în care relațiile dintre componente pot varia. Într-o soluție solidă, la fel ca și în metalele pure, atomii din spațiu sunt localizați în mod regulat și formează o latură de cristal. Aceasta este ceea ce le distinge de soluțiile lichide. Intr-o soluție solidă care substanțele componente ale aliajului păstrează rețelelor cristaline inerente, iar a doua substanță care a pierdut structura sa cristalină, este distribuit în rețeaua cristalină, în prima formă de atomi individuali. Prima substanță este un solvent, iar al doilea este solubil. În funcție de natura distribuției atomilor din elementul solubil, se disting soluții solide de introducere, substituire și scădere; indiferent de tipul soluției solide comune acestora, este faptul că acestea sunt monofazate și există în gama de concentrații. Pentru soluțiile solide este caracteristic un tip de legătură metalic.
Cea mai mică dimensiune a atomilor are unele metaloide - hidrogen, azot, carbon, bor, care formează soluții interstițiale solide cu metale. Dar aceste elemente atomi dimensiune 12b ușor depășește mărimea distanței interatomică în rețeaua cristalină a metalelor, astfel încât formarea de soluții solide și distorsiunea zăbrele în acestea apar tensiuni. În același timp, concentrația soluției solide de implantare nu poate fi mare. Rareori depășește 1-2%. În soluțiile de substituție solide, atomii din elementul solubil ocupă pozițiile atomilor metalului primar. Atomii străini pot înlocui atomii de solvent în orice loc, deci astfel de soluții se numesc soluții solide dezordonate. Dimensiuni atomi solubili Element difera intotdeauna de dimensiunea atom solvent (acestea sunt mai mult sau mai puțin), astfel încât formarea de substitutionala soluție solidă de rețea cristalină metallara-stvoritelya distorsionat, fără a pierde structura sa principală. Soluțiile solide de substituție pot fi limitate și nelimitate. Una dintre condițiile pentru o solubilitate nelimitată este factorul de mărime. Cu cât este mai mare diferența în raza atomică, cu atât este mai puțin solubil.
Pe măsură ce temperatura în soluțiile solide de substituție scade, apare un proces de redistribuire a atomilor, ca rezultat al căror atomi ai elementului dizolvat ocupă locuri strict definite în rețeaua de solvenți. Astfel de soluții solide se numesc soluții solide ordonate, iar structura lor este o superstructură.
Unele elemente modifică structura cristalului în funcție de schimbările în condițiile externe - temperatură și presiune. În stare solidă de litiu, molibdenul are o latură cubică centrată pe corp; aluminiu, argint, aur, platină - centrat pe față și magneziu, zirconiu - hexagonal. Cu o schimbare a temperaturii, se poate dovedi că pentru un alt metal zăbrelele vor fi mai stabile decât cele care au fost la o temperatură diferită. Acest fenomen se numește polimorfism. Fiecare tip de lattice reprezintă o modificare sau modificare alotropică. În transformările polimorfe ale metalelor, temperatura are o importanță primordială. conversia alotropic de o formă la alta are loc la o temperatură constantă, numită temperatură de transformare polimorfa și este însoțită de un efect termic, similar cu fenomenele de solidificare sau topire-evaporare-condensare. Acest lucru se datorează necesității de a cheltui o anumită cantitate de energie asupra restructurării rețelei de cristal.