Гетерогенная (несамопроизвольная) кристаллизация

В реальных условиях процессы кристаллизации и характер образующейся структуры в большей мере зависят от имеющихся готовых центрах кристаллизации. Такими центрами, как правило, являются тугоплавкие частицы неметаллических включений, оксидов, интерметаллических соединений, образуемых примесями. К началу кристаллизации центры находятся в жидком металле в виде твердых включений. При кристаллизации атомы металла откладываются на активированной поверхности примеси, как на готовом зародыше. Такая кристаллизация называется гетерогенной или несамопроизвольной. При несамопроизвольной кристаллизации роль зародышей могут играть и стенки формы. Образование зародышей на имеющейся в расплаве поверхности раздела — стенке сосуда или частицах нерастворимой примеси (подложке) — может произойти, если эта поверхность смачивается жидким металлом. В этом случае образование зародышей на ней потребует меньшей затраты энергии. В связи с этим краевой угол между подложкой и находящимся на ней зародышем твердой фазы имеет важное теоретическое значение, хотя это и не может быть широко использовано на практике. Если краевой угол мал, то поверхностная энергия границы раздела между твердой фазой и подложкой также мала. В этом случае из атомов жидкого металла легко образуются зародыши твердой фазы на поверхности подложки. Эффективность любой частицы как катализатора зарождения зависит от краевого угла, который в свою очередь определяется такими факторами, как близость структур кристаллических решеток подложки и твердой фазы и химическая природа поверхности подложки. Если краевой угол мал, то зарождение происходит при незначительном переохлаждении, если же краевой угол велик, то необходимо большее переохлаждение. Большинство применяемых в промышленности металлов содержит достаточное количество различных нерастворимых примесей, и зарождение кристаллов в расплавах этих металлов происходит при переохлаждениях 1 — 10° С. Если количество имеющихся в жидком металле нерастворимых примесей недостаточно для эффективного развития процессов гетерогенного зарождения, в расплав могут быть введены так называемые катализаторы зарождения. Катализаторы зарождения — это вещества, которые намеренно вводятся в жидкий металл для стимулирования процессов образования зародышей. Эти вещества могут быть соединениями, нерастворимыми в расплаве и имеющими с образующейся твердой фазой малый краевой угол; они могут быть также и химическими элементами, которые, реагируя с жидким расплавом, образуют соединения, способствующие развитию процессов зарождения. Как правило,12 механизм действия катализаторов в расплавах конкретных металлов бывает заранее неизвестен, и на практике катализаторы подбираются методом проб и ошибок. Может возникнуть вопрос: какими преимуществами обладает металл, в котором имело место гетерогенное зарождение кристаллов? Для чего вводить катализаторы зарождения, если образование зародышей все равно будет иметь место в результате действия инородных частиц, уже имеющихся в расплаве, когда переохлаждение будет достаточным для их действия? Ответ на вопрос заключается в том, что количество возникших зародышей твердой фазы определяет конечную структуру и, таким образом, свойства затвердевшего металла. Каждое зерно или кристалл растет из одного зародыша, и поэтому число зародышей, возникающих в расплаве, определяет размеры образовавшегося при кристаллизации зерна.

Заключение

В ходе изучения данной темы реферата были рассмотрены следующие понятия: 1) кристаллизация – процесс перехода из жидкого состояния в твердое, в результате которого образуется кристаллическая решетка, возникают кристаллы; 2) кристаллическая решетка - это мысленно проведенные в пространстве прямые линии, соединяющие ближайшие атомы и проходящие через их центры, относительно которых они совершают колебательные движения; 3) гомогенная кристаллизация – это кристаллизация, в которой зародышами кристаллов в жидком растворе являются устойчивые группы атомов, расположение которых близко к кристаллическому; 4) гетерогенная кристаллизация – это кристаллизация, в которой для получения мелкого зерна при затвердевании металла используют модифицирование, т.е. введение в жидкий металл тугоплавких мелких частичек, служащих дополнительными центрами кристаллизации. Было изучено кристаллическое строение металлов и выявлено, что скопление большого количества кристаллических решеток образует кристалл, а металл состоит из множества кристаллов. Свойства кристаллов зависят от расположения атомов внутри них. Кристаллизация протекает вследствие перехода к более устойчивому состоянию с меньшей свободной энергией. Свободные энергии жидкого и твердого состояний уменьшаются с повышением температуры. Рост кристаллов заключается в том, что к их зародышам присоединяются все новые атомы жидкого металла. Сначала кристаллы растут свободно, сохраняя правильную геометрическую форму, но это происходит только до момента встречи растущих кристаллов. В месте соприкосновения кристаллов рост отдельных их граней прекращается, и развиваются не все, а только некоторые грани кристаллов. В результате кристаллы не имеют правильной геометрической формы. Так же мною было отмечено, что изучение гомогенного зарождения кристаллов наталкивается на серьезные экспериментальные трудности, связанные с получением металлов, очищенных от всех инородных частиц. Однако эти трудности могут быть устранены при делении объема металла на очень малые капли, изолированные друг от друга. Если в объеме жидкого металла и содержится небольшое число частиц примеси, то некоторые из капель не будут содержать посторонних частиц, и в них можно наблюдать гомогенное зарождение кристаллов.14 Подводя итоги, можно сделать вывод, что вся теория зарождения кристаллов, еще нуждается в дальнейшем развитии.

Список литературы

1. Гуляев А.П. «Металловедение». - М.: Металлургия, 1986 2. Металлургия и материаловедение: Справочник./Под ред. П.И. Полухина и М.Л. Бернштейна. – М.: Металлургия, 1982 3. Материаловедение: Уч./Под общ. Ред. Б.Н. Арзамасова. – 2-е изд., испр. и доп. – М.: Машиностроение, 1986 4. Фетисов Г.П. «Материаловедение и технология металлов». – М.: Высшая школа, 2001 5. Гормаков А.Н. «Материаловедение. Учебно-методическое пособие». – Томск.: ТПУ, 2003.