Кристаллизация

[solidification, crystallization] — переход вещества из жидкого состояния в твердое кристаллическое; заключается в образовании кристаллических зародышей и их росте при достижении расплавом определенной температуры. Процесс кристаллизации сопровождается выделением скрытой теплоты кристаллизации, и поэтому в процессе охлаждения в начале кристаллизации скорость охлажденния уменьшается. Кристаллизация металлов идет при постоянной температуре, а сплавов при снижающейся, характер изменения которой (во времени) определяется диаграммой фазового состояния (Смотри Диаграмма состояния). Интервал температур с температуры начала до температуры конца кристаллизации называется температурным интервалом кристаллизации. В этом интервале сплав состоит из смеси жидкой и твердой (или твердых) фаз.
Кристаллы могут зарождаться по гомогенным и гетерогенным механизмам. Теория гомогенного зарождения базируется на термодинамических представлениях, согласно которым чистый металл в твердом состоянии может находиться в равновесии с жидким металлом только при температуре, соответствующей равенству свободных энергий твердой и жидкой фаз. Для начала процесса кристаллизации необходимо переохладить жидкий расплав до определенной величины, чтобы получить выигрыш в свободной энергии и компенсировать работу образования кристаллического зародыша (Смотри Переохлаждение). Существует критическая величина (0,5-5 нм) зародыша (критический зародыш), при достижении и превышении которой зародыш термодинамически устойчив и может быть центром кристаллизации. Размер критического зародыша в сильной степени зависит от переохлаждения расплава: с увеличением переохлаждения величина критического зародыша резко уменьшается. Согласно теории гомогенного зарождения кинетика кристаллизации определяется двумя параметрами: скоростью зарождения центров (с. з. ц.) кристаллизации и линейной скоростью роста (л. с. р.) кристаллов. С увеличением переохлаждения оба параметра проходят через максимумы, причем с. з. ц. достигает максимума при меньших значениях переохлождения, чем л. с. р. В области небодимых переохлаждений, свойственных непрерывному или фасонному литью, темп роста с. з. ц. с ростом переохлаждения больше, чем л. с. р.
Изменение переохлаждения за счет скорости охлаждения в интервале температур кристаллизации влияет не только на размер, но и на их форму. При малых переохлаждениях и малой скорости роста формируются полногранные кристаллы. При увеличенной скорости роста кристаллов полногранная форма кристаллов меняется на дендритную. При дендритной кристаллизации сначала вырастает ось (ветвь) дендрита 1-го порядка, из которой затем под определенным углом растут оси-ветви 2-го порядка, а из них — 3-го и т. д. Оси-дендриты растут в направлtybb наиболее плотной упаковки атомов.
В реальных условиях зарождение и рост кристаллов идут по гетерогенному механизму. В расплавленных металлах и сплавах всегда присутствуют тугоплавкие металлические или неметаллические включения — места облегченного зарождения, «затравка» для зарождения кристаллов. На роль тугоплавких включений как центров кристаллизации впервые указал А. А. Байков, затем подробно ее исследовал В. И. Данилов. Чем больше включений присутствует в расплаве, тем больше центров зарождения новых кристаллов (зерен) и тем в итоге мельче зерно. Эффективность зарождающего действия включений зависит от большого числа факторов, но главный из них — размерно-структурное соответствие, заключающееся в том, что при зарождении новой фазы (кристалла) на имеющемся включении сопрягающиеся грани новой фазы и включения в максимальные степени должны соответствовать одни другим (размерно и структурно);

Смотри также:
— фракционная кристаллизация
— неравновесная кристаллизация
— сверхбыстрая кристаллизация
— кристаллизация под поршневым давлением
— кристаллизация под газовым давлением
— направленная кристаллизация