Механизм процесса кристаллизации

Процесс образования кристаллов сопровождается выделением тепла, и, наоборот, переход металла из твердого состояния в жидкое сопровождается поглощением тепла. Эти явления можно наблюдать, если через определенные промежутки времени (10-20 сек.) измерять температуру жидкого металла. При охлаждении жидкого металла температура вначале будет падать равномерно. Когда же начнется образование кристаллов, то вследствие выделения скрытой теплоты при формировании кристаллической решетки падение температуры прекратится, и она останется неизменной до полного затвердевания металла. После того как весь металл затвердеет, температура снова начнет понижаться. Это изменение температуры во времени можно выразить графически, откладывая в определенном масштабе по горизонтальной оси время, а по вертикальной оси - температуру, при этом получится кривая охлаждения металла. Температура, соответствующая горизонтальному участку кривой охлаждения, и будет температурой затвердевания данного металла. Ее называют критической температурой. Кривая охлаждения чистого металла.

Механизм процесса кристаллизации изучался многими учеными. На основании многолетних исследований литой стали Д. К. Чернов еще в 1878 г. указывал, что процесс кристаллизации металлов подобен кристаллизации солей и состоит из двух элементарных процессов, которые протекают одновременно. Первый процесс заключается в образовании центров кристаллизации, или зародышей кристаллов (Д. К. Чернов называл их зачатками), второй процесс - в росте кристаллов из этих центров. Последовательные этапы процесса кристаллизации схематично. Первый этап - появление зародышей кристаллов. При дальнейшем остывании металла к этим зародышам присоединяются всё новые атомы, которые группируются в определенном порядке один возле другого образуя элементарные ячейки кристаллической решетки (элементарная ячейка изображена в виде квадратика). Этот процесс продолжается до тех пор, пока выросшие кристаллы не заполнят весь объем металла.

Как видно из представленной схемы, кристаллы затвердевшего металла имеют неправильную и весьма разнообразную внешнюю форму. Это объясняется условиями кристаллизации.

В процессе кристаллизации одновременно растет много кристаллов. В 1 см может образоваться до 1000 и более кристаллов. И вот наступает такой момент, когда грани смежных кристаллов соприкасаются. В точках соприкосновения рост кристаллов прекращается. Поэтому, несмотря на правильное внутреннее строение кристаллов, они имеют самую разнообразную внешнюю форму, в зависимости от числа соседних кристаллов и направления их роста. Кристаллы, имеющие неправильную внешнюю форму, называются кристаллитами, или зернами. Величина зерен зависит от условий кристаллизации и, прежде всего, от скорости охлаждения металла. Чем больше скорость охлаждения металла, тем быстрее он затвердевает, тем больше возникает центров кристаллизации и тем, следовательно, меньше получаются размеры зерна. Влияние скорости охлаждения на величину зерна схематично. В литом металле наблюдаются крупные зерна, а в кованом они значительно меньше. После термической обработки металла они могут быть еще более мелкими.