Главная / Теория термической обработки металлов / Отжиг второго рода / Общие закономерности фазовых превращений в твердом состоянии / Кристаллизация расплавленного металла

Кристаллизация расплавленного металла

Кристаллизация расплавленного металла происходит не при температуре равновесия жидкой и твердой фаз, а при более низких температурах. То же самое относится и к превращениям в твердом состоянии.

Температура превращения при охлаждении лежит ниже, чем температура обратного фазового превращения при нагревании. Это явление называется тепловым гистерезисом превращения.

Например, белое олово превращается в серое только при сильных морозах, хотя температура равновесия белой и серой модификаций равна + 13 °С. Разность между температурой устойчивого равновесия двух фаз (T0) и фактической температурой превращения при охлаждении называется степенью переохлаждения (ΔТ).

Степень переохлаждения растет с увеличением скорости охлаждения. Следовательно, переохлаждение связано с какими-то затруднениями в фазовом превращении.

Основоположник научного металловедения Д. К. Чернов во второй половине прошлого столетия отметил, что процесс затвердевания стали состоит из двух стадий: образования центров кристаллизации («зачатков» — по терминологии Чернова) и роста кристаллов из этих центров.

Позднее известный немецкий металловед Г. Тамман установил количественные характеристики для двух стадий кристаллизации
— число центров, возникающих в единицу времени в единице объема, т. е. скорость зарождения центров (с. з. ц.), и линейную скорость роста кристаллов из этих центров (л. с. р.). Тамман переохлаждал прозрачные органические жидкости до различных температур и определял при разных переохлаждениях скорость зарождения центров и линейную скорость роста кристаллов. Было установлено, что эти характеристики зависят от степени переохлаждения.

При температуре равновесия жидкой и твердой фаз с. з. ц. и л. с. р. равны нулю. С увеличением переохлаждения обе характеристики растут, достигают максимума и при больших переохлаждениях падают до нуля. Графики зависимости скорости зарождения центров кристаллизации и линейной скорости роста кристаллов от переохлаждения называют кривыми Таммана.

Позднее было установлено, что кристаллизационные процессы образования фаз в твердом состоянии подчиняются тем же общим закономерностям, что и процессы кристаллизации жидкости. На рисунках показаны кривые Таммана для полиморфного превращения олова и эвтектоидного распада в стали.


Линейная скорость роста серого олова

Линейная скорость роста серого олова

Линейная скорость роста серого олова на поверхности белого
при разных температурах (Г. Тамман).


Зависимость скорости зарождения центров и линейной скорости

Зависимость скорости зарождения центров и линейной скорости

Зависимость скорости зарождения центров и линейной скорости
роста перелитных колоний от степени переохлаждения
в стали с 0,8% С (по Я. Л. Миркину).


Зависимости, полученные экспериментально, можно объяснить, используя представления термодинамики и статистической физики.

На первый взгляд кажется, что зародышем кристаллизации может явиться сколь угодно малая совокупность атомов, например одна элементарная ячейка новой фазы, которая растет вследствие постепенного присоединения атомов из материнской фазы. Более подробный анализ показывает, что это не так.

«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков