Зародышеобразование

[nucleation] — образование зародыша при кристаллизации из жидкой или газообразной фазы, а также зародыша новой фазы при распаде пересыщенного твердого раствора. Зародышеобразование может быть гомогенным или гетерогенным. Гомогенное зародышеобразование идет в жидкой однородной фазе при больших пересыщениях выделяющейся фазы новыми химическими соединениями, растворенным газом и т.п. Гомогенная кристаллизация малых и больших объемов металла протекает при глубоких переохлаждениях, напр, на 200-500 К: критическ размер зародыша (5—10) r_a, где r_a-радиус атома; для Fe r_кр — 1,3 нм. При малых пересыщениях решающим становится гетерогенное зародышеобразование. При этом чем меньше угол смачивания ϴ между зародышем и нейтральной поверхностью раздела, тем меньше возможность образования зародыша При ϴ > О, ΔG > 0 выделение зародыша становится возможным при малых пересыщениях жидкой фазы, например при образовании оксидных неметаллических включений. Если размер зародыша меньше критического r < r_кр, то он должен исчезнуть, т.к. уменьшению r соответствует уменьшение ΔG; если r > r_кр, то увеличение r соответствует уменьшению ΔG и зародыш должен расти: в практических условиях кристаллизации r_кр = 10^-8 — 10^-7 м. Гетерогенное зародышеобразование идет на твердой поверхности раздела образованием двухмерных зародышей толщиной в 1 — 3 атомных слоя, представляющих часть основания трехмерного объемного зародыша — с параметрами решетки не более параметров решетки основы. Образование устойчивых двухмерных зародышей требует меньшей работы, чем объемных. Гетерогенное зародышеобразование новой фазы при распаде твердых растворов идет, как правило, на границах зерен и субзерен, на дислокациях и дефектах упаковки, в микронесплошностях, в результате чего возникает неоднородное распределение выделений по объему зерна. Зародышеобразование газовых пузырьков имеет большое значение для удаления газов из металла и обезуглероживания жидкого металла. Для образования пузырьков СО, Н₂, N₂ в ванне необходимо, чтобы давление в пузырьке газа: Р ≤ Р_атм + γ_шh_ш + γ_мh_м + 2σ/r, где Р_атм-атмосферное давление; γ_ш, γ_м-плотность шлака и металла; h_ш, h_м — высота слоя шлака и металла над точкой образования пузырька; σ-поверхностное натяжение; r — радиус пузырька. Критический радиус зародыша при атмосферном давлении и h_ш = h_м = 0: r = 2S/[p_CO(lnp_CO/p_р.д)], где p_CO-парционное давление СО в пузырьке газа, p_р.д — равновесное давление СО в пузырьке. При p_атм= 101,3 кПа, h_м = 0,45 м, h_ш= 0,2 м, р_со в пузырьке д. б. 138 кПа, r_к = 0,65—12,45 мкм. Самопроизвольное гомогенное зародышеобразование пузырьков на границе фаз шлак-металл, неметаллическое включение-металл, <<футеровка-металл. Гетерогенное зародышеобразование требует меньших энергетических затрат.