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

Кинетика фазовых превращений

Кинетика кристаллизационных процессов в твердом состоянии определяется двумя параметрами — скоростью зарождения центров превращения и линейной скоростью роста из этих центров. Как было показано выше, оба параметра кристаллизации зависят от степени переохлаждения или перегрева. Кинетика фазового превращения при определенном переохлаждении или перегреве изображается кинетической кривой, которая показывает нарастание количества новой структурной составляющей во времени. Кинетика…

Кинетические кривые

С практической точки зрения ничтожная степень превращения в инкубационный период не принимается во внимание, поэтому вполне целесообразно говорить о конце инкубационного периода как о начале превращения, всегда мысленно подразумевая, что к «началу» превращения уже образовалось некоторое количество новой структурной составляющей. Например, начало эвтектоидного превращения в стали фиксируется тогда, когда имеется 0,5 — 1% перлита. Кинетические…

Термокинетические диаграммы

Широкому использованию диаграмм изотермических превращений способствует то, что они строятся в тех же координатах температура — время, в которых изображают режимы нагрева и охлаждения при термической обработке. С помощью С-диаграмм особенно удобно анализировать различные виды изотермических обработок, включающих ускоренное охлаждение и выдержку при постоянной температуре, например изотермический отжиг и изотермическую закалку (смотрите Разновидности отжига сталей…

Разные метастабильные фазы в системе

Если в системе могут существовать разные метастабильные фазы, то при данной степени переохлаждения с увеличением времени выдержки вначале из-за большей скорости зарождения будет образовываться метастабильная фаза, у которой минимальна работа образования критического зародыша. Затем появятся метастабильные фазы с большей энергией образования критического зародыша и в последнюю очередь появится стабильная фаза, так как энергия активации ее…

Образование промежуточных метастабильных фаз

Образование стабильной фазы приводит систему в состояние с абсолютным минимумом свободной энергии. Однако при определенных условиях зарождается и растет не абсолютно стабильная, а метастабильная фаза, образование которой приводит систему в состояние с относительным минимумом свободной энергии. Рассмотрим условия равновесия исходной фазы а с новой стабильной фазой β, отличающейся от исходной структурой и составом. Используем для…