Тяжелый шарик из положения 1 стремиться попасть в более устойчивое положение 2, т.к. в положении 2 потенциальная энергия меньше, чем в положении 1.

Возможен переход из одного состояния в другое, если новое состояние в новых условиях является более устойчивым, обладает меньшим запасом энергии.

С изменением внешних условий свободная энергия изменяется по сложному закону различно для жидкого и кристаллического состояний. Характер изменения свободной энергии жидкого и твердого состояний с изменением температуры показан на рис.

Изменение свободной энергии в зависимости от температуры

В соответствии с этой схемой выше температуры Т_S вещество должно находиться в жидком состоянии, а ниже Т_S – в твердом.

При температуре равной Т_S жидкая и твердая фаза обладают одинаковой энергией, металл в обоих состояниях находится в равновесии, поэтому две фазы могут существовать одновременно бесконечно долго. Температура Т_S – равновесная или теоретическая температура кристаллизации.

Для начала процесса кристаллизации необходимо, чтобы процесс был термодинамически выгоден системе и сопровождался уменьшением свободной энергии системы. Это возможно при охлаждении жидкости ниже температуры Т_S.

Температура, при которой практически начинается кристаллизация называется фактической температурой кристаллизации.

* Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации называется переохлаждением, которое характеризуется степенью переохлаждения.

* Процесс перехода металла из жидкого состояния в твердое можно изобразить графически в координатах температура – время по так называемым кривым охлаждения

Кривая охлаждения

Кривая охлаждения имеет следующий вид:

Д.К. Чернов, изучая структуру литой стали указал, что процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов:

зарождения мельчайших зародышей или центров кристаллизации

роста кристаллов из этих центров

Этот процесс можно изучать с помощью рассмотрения моделей (схем), что успешно применялось Миркиным И.Л.

Предположим, что на некоторой площади за 1 сек возникает 5 центров кристаллизации, которые растут с определенной скоростью. К концу 1-ой сек образовалось 5 зародышей, к концу «-й они выросли и возникло еще 5 зародышей, к концу 2-й они выросли и так далее. Так в результате возникновения зародышей и их роста происходит процесс кристаллизации.

При образовании кристаллы растут свободно, они могут иметь геометрически правильную форму. При столкновении же растущих кристаллов их правильная форма нарушается. В результате этого при после затвердевания кристаллы имеют неправильную форму, их называют кристаллитами или зернами.

Условия получения мелкозернистой структуры

Стремятся к получению мелкозернистой структуры. Оптимальными условиями для этого являются: максимальное число центров кристаллизации и малая скорость роста кристаллов.

Размеры образовавшихся кристаллов зависят от соотношения числа образовавшихся центров кристаллизации и скорости роста кристаллов при температуре кристаллизации.

При равновесной температуре кристаллизации Т_S число образовавшихся центров кристаллизации и скорость их роста равняются нулю, поэтому процесса кристаллизации не происходит.

Если жидкость переохладить до температуры, соответствующей т.а, то образуются крупные зерна (число образовавшихся центров небольшое, а скорость роста – большая).

При переохлаждении до температуры соответствующей т.в – мелкое зерно (образуется большое число центров кристаллизации, а скорость их роста небольшая).

Зависимость числа центров кристаллизации (а) и скорости роста кристаллов (б) от степени переохлаждения

Размер зерен при кристаллизации зависит и от числа частичек нерастворимых примесей, которые играют роль готовых центров кристаллизации – оксиды, нитриды, сульфиды.

Чем больше частичек, тем мельче зерна закристаллизовавшегося металла.

Стенки изложниц имеют неровности, шероховатости, которые увеличивают скорость кристаллизации.

Мелкозернистую структуру можно получить в результате модифицирования, когда в жидкие металлы добавляются посторонние вещества – модификаторы

По механизму воздействия различают:

Вещества, не растворяющиеся в жидком металле – выступают в качестве дополнительных центров кристаллизации.

Поверхностно - активные вещества, которые растворяются в металле, и, осаждаясь на поверхности растущих кристаллов, препятствуют их росту.

Строение металлического слитка

* Схема стального слитка, данная Черновым Д.К., представлена на рис.

Слиток состоит из трех зон:

1. мелкокристаллическая корковая зона

2. зона столбчатых кристаллов

3. внутренняя зона крупных

равноосных кристаллов.

Кристаллизация корковой зоны идет в условиях максимального переохлаждения. Скорость кристаллизации определяется большим числом центров кристаллизации. Образуется мелкозернистая структура.

Жидкий металл под корковой зоной находится в условиях меньшего переохлаждения. Число центров ограничено и процесс кристаллизации реализуется за счет их интенсивного роста до большого размера.

Дендрит

Рост кристаллов во второй зоне имеет направленный характер. Они растут перпендикулярно стенкам изложницы, образуются древовидные кристаллы – дендриты .

Растут дендриты с направлением, близким к направлению теплоотвода.

Так как теплоотвод от незакристаллизовавшегося металла в середине слитка в разные стороны выравнивается, то в центральной зоне образуются крупные дендриты со случайной ориентацией.

Зоны столбчатых кристаллов в процессе кристаллизации стыкуются, это явление называется транскристаллизацией.

Для малопластичных металлов и для сталей это явление нежелательное, так как при последующей прокатке, ковке могут образовываться трещины в зоне стыка.

В верхней части слитка образуется усадочная раковина, которая подлежит отрезке и переплавке, так как металл более рыхлый.