Сақ түйіршікті құрылым алу шарты

Ұсақ түйіршікті құрылым алуға тырысады. Ол үшін, ең көп кристалдану орталықтарының саны және кристалдардың өсу жылдамдығының аздығы, тиімді шарттары болып табылады.

Кристалдану кезінде түйіршіктердің мөлшері, дайын кристалдану орталығы болып табылатын ерімейтін қоспа бөлшектері: оксидтер, нитридтер, сульфидтер бөлшектерінің санына тәуелді болады.

Неғұрлым бөлшектер саны көп болса, соғұрлым кристалданған металл түйіршіктері ұсақ болады.Құйма қалып қабырғаларының кедір-бұдырлы болуы салдарынан кристалдану жылдамдығы артады.

Металға бөгде заттектерді – модификаторларды, қосқанда, ұсақ түйіршікті құрылымды, модификациялау нәтижесінде алуға болады.

Әсер ету механизіміне қарай бөлінеді:

1.қосымша кристалдану орталығы ретінде қолданылатын, сұйық металда ерімейтін – заттектер.

2.өсіп келе жатырған кристал бетіне тұна отырып, олардың өсуіне кедергі жасайтын және металда еритін – беттік активті заттектер.

Кристалдардың түзілу мен өсу жылдамдықтары және қорытпалардың салқындау деңгейі арасындағы байланыс.

Сұйық күйде зат атомы жылулық қозғалыс әсерінен ретсіз қозғалады. Дәл сол мезетте сұйықтықта аз көлемде салыстырмалы берік атомдар тобы болады. Бұл топтар тұрақсыз, сіңіріледі де, сұйықтықтың әртүрлі жерлерінде қайта пайда болады. Топтану шектеріне байланысты зат атомының орналасуы, көп жағдайда, оның кристалл торларындағы орындарымен бірдей. Сұйықтың суып кетуі кезінде олардың біршамасы, әсіресе үлкендері, берік және өсуге қабілетті болады. Осы атомдардың берік топтары кристалдану центрлері (ұрықтар) деп аталады.

Центрлердің пайда болуы Z термодинамикалық потенциалды өзгертеді. Бір жағынан, сұйықтың кристалдық күйге көші кезінде термодинамикалық потенциал кемиді, а екінші жағынан, сұйықтық пен кристалдық ұрық арасын бөлетін беттің пайда болуы нәтижесінде ол артады. Өте кішкентай ұрықтың өсуі «сұйықтық – ұрық» жүйесінің термодинамикалық потенциалын арттырады, ал салыстырмалы үлкен ұрықтың өсуі – кемітеді (32 сурет). Берілген суу дәрежесі үшін r_кр критикалық өлшемді кейбір ұрық бар. Үлкен өлшемді барлық ұрықтар кристаллизация центрлері болады, ал кіші өлшемді ұрықтар – тұрақсыз болып шығады және сұйықтыққа қайта сіңіріледі.

Критикалық өлшемді центрдің пайда болуы белгілі бір энергияны қажет етеді. Бұл энергия кейбір орташадан артық энергиясы бар сұйықтық атомдарынан беріледі. Ол негізі энергияның ретсіз таралуына байланысты энергияның флуктуациялары бар, яғни атомдардың бір бөлігі артық энергияға ие, ал екінші бөлігі орташа деңгейден де аз энергияға ие. Сұйықтықта энергия үздіксіз атомдар арасында қайта бөлініп отырады.

Ұрықтың критикалық өлшемі термодинамикалық параметрермен байланысты:

r_кр =

мұндағы σ – сұйықтық – кристалл шекарасындағы меншікті (1 см² ‑қа) беттік керілу; ∆f – сұйықтан кристалл күйге өткендегі еркін энергияның меншікті (1 см³ ‑қа) өзгерісі.

Суу дәрежесі артқан сайын, беттік керілу болмашы ғана өзгереді, ал ∆f – күрт артады. Демек, суу дәрежесі артқан сайын ұрықтың критикалық өлшемі кемиді, көп центрлер пайда бола бастайды.

Кристалдардың нақты өлшемі кристаллдардың өсу жылдамдығы мен кристалдану центрлерінің түзілуі арасындағы қатынаспен анықталады. Екі процесс те атомдардың орын ауыстыруымен байланысты, яғни олар диффузиялық әрі температураға тәуелді болып табылады. Кейбір заттарда (органикалық қосылыстар, шынылар) өте жоғары суу дәрежесінде диффузия кристалдану центрлерін де, кристалдар өсуін де баяулатады. Көп жағдайда суыған аморфты күй сақталады. Металдарда, ережеге сай, қисықтардың тек көтерілуші аймақтары ғана жүзеге асады және суу артқан сайын екі процестің де жылдамдықтары артады (33 сурет). Бірақ центрлер түзілу жылдамдығы едәуір тез артады және соның әсерінен металдарда суу дәрежесі неғұрлым артса, кристалдар да соғұрлым кішкентай болып шығады. Сәйкесінше суу дәрежесінің аз шамасында ұрықтың критикалық өлшемі зор, ал ұрықтану жылдамдығы аз және кристалдар өте ірі болып шығады.

Сұйық металды төмен жылуөткізгішті (жергілікті, шамотты) немесе қыздырылған металдық қалыпқа құйған кезде кристалдану суудың аз ғана дәрежесінде жүреді. Суудың өсуі сұйық металды салқын металдық қалыптарға құйған кезде орындалады.

Орталықтардың пайда болуы термодинамикалық потенциалды (Z) өзгереді. Сұйықтың кристалдық күйге көшуі кезінде термодинамикалық потенциал бір жағынан кемісе, екінші жағынан ол сұйық пен кристалдық өскіннің арасында бөліну бетінің пайда болуына байланысты артады. Өте кішкентай өскіннің өсуі «сұйық өскін» жүйесінің термодинамикалық потенциалын арттырады, ал едәуір дәрежедегі үлкен өскіннің өсуі сол жүйенің термодинамикалық потенциалын кемітеді (3-сурет). Берілген салқындау дәрежесіне өскіннің белгілі бір кризистік (Z_kp) мөлшері сәйкес келеді. Үлкен мөлшердегі барлық өскіндер кристалдану орталығы болады, ал кіші мөлшердегі барлық өскіндер орнықсыз болып сұйық ішінде сорылып отырады.

Кризистік мөлшердегі орталықтың пайда болуы үшін белгілі энергия қажет. Бұл энергия белгілі бір орта шамадан артық энергиясы бар сұйық атомдарынан алынады. Өйткені энергия атомдарға бір қалыпты таралмайды, яғни энергия флуктуациясы болады; басқаша айтқанда кейбір атомдардың энергиясы орта деңгейден артық болса, кейбір атомдардың энергиясы одан кем болады. Сұйықта энергия атомдар арасында үздіксіз қайта таралып отырылады.

Өскіннің кризстік мөлшері төмендегідей термодинамикалық параметрлерге байланысты болады:

r _kp = 2σ /∆ f

мұндағы σ – сұйық кристалл шекарасындағы меншікті (1 см²-қа) беттік керілу; ∆ f – сұйықтық кристалдық күйге ауысуы кезіндегі бос энергиясының меншікті (1 см³-қа) өзгеруі.

Салқындау дәрежесінің артуына байланысты беттік керілу шамалы ғана өзгереді, ал ∆ f шапшаң артады. Сондықтан да салқындау дәрежесінің

артуына байланысты өскіннің кризистік мөлшері кемиді, орталықтар көбірек пайда бола бастайды. Кристалдардың нақты мөлшерлері кристалдардың өсу жылдамдығының кристалдану орталықтарының түзілуіне қатынасымен анықталады. Екі процесс те атомдардың орын ауыстыруына байланысты, яғни олар диффузиялық құбылысқа әрі температураға тәуелді. Диффузия, салқындату дәрежесі өте үлген болған жағдайда, кейбір заттарды кристалдану орталықтарының түзілуі мен кристалдардың өсуі тежеледі. Кейбір жағдайда суыған аморф күй сақталады. Металдарда қисықтың биік учаскелері болады және салқындаудың өсуіне байланысты екі процестің де шапшаңдығы артады (4-сурет). Алайда орталықтардың түзілу жылдамдығы күрт артады. Сондықтан да салқындау дәрежесін арттырғанда металдардан өте ұсақ кристалдар алынады.

Сұйық металды жылу өткізгіштігі төмен (саздан жасалған немесе отқа төзімді) формаға немесе қыздырылған металл формаға құйғанда кристалдану процесі салқындау дәрежесінің төмен екеніне қарамастан жүре береді.