Машиностроение и механика

Гомогенное зарождение - происходит следующим об­разом: в жидком металле вблизи точки кристаллизации вследствие флуктуации энергии, состава и плотности непрерывно образуются группировки атомов с упорядоченной структурой — комплексы или зародыши твердой фазы. Одновременно и непрерывно происходит разрушение большей части их них. С тем, чтобы зародыш стал тер­модинамически устойчивым, т. е. способным к дальнейшему росту не­обходимы определенные условия.

Условия гомогенного зарождения

Из термодинамики известно, что переход жидкости в твердое состояние и наоборот возможны, если свободная энергия системы при этом уменьшается.

Затвердева­ние или расплавление в процессе изменения температуры объясняются тем, что при температурах, превышающих точку кристаллизации, меньшей удельной свободной энергией обладает жидкая фаза, а при более низких температурах — твердая.

В процессе образования зародыша свободная энергия системы с одной стороны возрастает в результате затраты энергии на образование поверхности раздела «расплав — зародыш»

и с другой стороны уменьшается в результате перехода части жидкости в твердую фазу, у которой уровень свободной энергии ниже

где σ – межфазное натяжение на границе раздела фаз (удельная поверх­ностная энергия).

При температуре кри­сталлизации свободная энергия жидкой и твердой фаз равны и об­разование зародыша невозможно, так как нет источника для компен­сации затрат энергии на образование поверхности раздела фаз. Поэтому для образования зародыша необходимо некоторое переох­лаждение расплава.

При данной величине пе­реохлаждения термодинамически устойчивыми, т. е. способными к дальнейшему росту, оказываются те зародыши, размер которых превысит так называемый «критический». Критический размер это такой, начиная с которого дальнейший рост сопровождается сниже­нием суммарной свободной энергии образования зародыша (рисунок 15).

Вели­чину критического радиуса зародыша определяют из соотношения:

где σ – межфазное натяжение на границе раздела жидкой и твердой фаз;

Т_кр — температура начала кристаллизации;

ΔТ — величина переохлаждения;

Q_Kp — скрытая теплота кристаллизации.

Таким образом, на процесс кристал­лизации решающее влияние оказывают степень переохлаждения и удельная поверхностная энергия на границе кристалл—жидкость. При увеличении степени переохлаждения критический радиус зародыша уменьшается, т. е. термодинамически устойчивыми становятся более мелкие зародыши. Аналогичное влияние оказывает уменьшение величины поверхностной энергии σ.

Прибли­женные расчеты показывают, что гомогенное зарождение кристалла ряда металлов возможно при переохлажде­нии, равном 0,2•Т_кр, т. е. около 350 °С для железа. Уменьшение переохлажде­ния до 200 °С снижает вероятность образования равновесного зародыша при гомогенной кристаллизации почти в 10⁵ раз. Однако величина переохла­ждения в стальном слитке обычно не превышает 10 °С. Следовательно, кристаллизация по гомо­генному механизму на практике не реализуется.

В реальных условиях механизм затвердевания имеет гетероген­ный характер, когда образование и рост зародыша происходят на уже имеющейся поверхности раздела – центрах кристаллизации. Процесс зарождения и роста кристаллов в этом случае существенно облег­чается - в реальных условиях сталь на­чинает кристаллизоваться при переохлаждении в несколько граду­сов.

В формировании структуры слитка не меньшую роль играет последующий рост кристаллов, который обусловливается прежде всего интенсивностью и направленностью отвода тепла.