Введение в физику кристализации металлов - Вайнгард У.
Скачать (прямая ссылка):
Фиг. 7. Влияние температуры на изменение AGv в зависимости от радиуса зародыша.
г
Фиг. 8. Изменение А00бщ в зависимости от радиуса зародыша при температуре T2-
быстро с увеличением радиуса г при температуре T2, чем при температуре Tu что может быть проиллюстрировано кривыми на фиг. 7. Зарождение кристаллов
27
¦Изменение свободной энергии AGs, обязанное образованию границы раздела между твердой и жидкой фазами, почти не зависит от температуры, и, следовательно, связь размеров критического зародыша с величиной переохлаждения определяется в основном только зависимостью AGv от температуры, как показано на фиг. 6 и 8.
Вблизи от точки плавления размеры критического зародыша должны быть бесконечно большими, так как
і \ \ \
Фиг. 9. Зависимость критических размеров зародыша от переохлаждения.
при приближении AT к нулю уменьшение объемной свободной энергии, связанное с превращением жидкости в твердую фазу, не может компенсировать увеличение поверхностной свободной энергии. По мере увеличения переохлаждения размеры критического зародыша уменьшаются, как показано на фиг. 9.
Максимальные переохлаждения, достигаемые при затвердевании малых капель. Приведенные выше рассуждения показывают, что для гомогенного зарождения кристаллов (т. е. зарождения в совершенно однородной среде) необходимо переохлаждение, однако на основании этих рассуждений невозможно оценить степень переохлаждения, необходимую для зарождения кристаллов. Изучение гомогенного зарождения кристаллов 28
Г лава 4
наталкивается на серьезные экспериментальные трудности, связанные с получением металлов, очищенных от всех инородных частиц. Однако эти трудности могут быть устранены при делении объема металла на очень малые капли, изолированные друг от друга. Если в объеме жидкого металла и содержится небольшое число частиц примеси, то некоторые из капель не будут содержать посторонних частиц, и в них можно наблюдать гомогенное зарождение кристаллов. Переохлаждения, достигнутые при гомогенном зарождении кристаллов в каплях некоторых металлов, приведены в табл. З1).
Таблица 3
Максимальные переохлаждения (AT), полученные методом малых капель [1|
Металл Л7\ °С Металл ДГ, °С
Ртуть 77 Серебро 227
Олово 118 Медь 236
Свинец 80 Никель 319
Алюминий 130 Железо 295
Как следует из таблицы, величина переохлаждения, необходимая для начала гомогенного зарождения кристаллов, весьма велика, порядка 0,2 Те- Такие переохлаждения никогда не наблюдаются на практике; в реальных условиях величина переохлаждения колеблется от 1 до 10° С. Следовательно, в реальных условиях происходит не гомогенное, а гетерогенное зарождение, т. е. кристаллы образуются на поверхности постороннего твердого тела, присутствующего в системе. Рассмотрим характерные особенности такого зарождения.
§ 2. Гетерогенное зарождение кристаллов
Образование зародышей на имеющейся в расплаве поверхности раздела — стенке сосуда или частицах нерастворимой примеси (подложке) — может произойти,
') См. также данные, приведенные в [35]. — Прим. ред. Зарождение кристаллов
29
если эта поверхность смачивается жидким металлом. В этом случае образование зародышей на ней потребует меньшей затраты энергии. В связи с этим краевой угол между подложкой и находящимся на ней зародышем твердой фазы имеет важное теоретическое значение, хотя это и не может быть широко использовано на практике.
Если краевой угол 0 мал, как это показано на фиг. 10, то поверхностная энергия границы раздела между твердой фазой и подложкой также мала. В этом случае из
Фиг. 10. Краевой угол между подложкой и твердой фа°ой.
атомов жидкого металла легко образуются зародыши твердой фазы на поверхности подложки. В случае если 0 = 180°, подложка не оказывает существенного влияния на процессы зарождения, так как межфазная энергия на границе твердой фазы и подложки оказывается достаточно высокой. Эффективность любой частицы как катализатора зарождения зависит от краевого угла, который в свою очередь определяется такими факторами, как близость структур кристаллических решеток подложки и твердой фазы и химическая природа поверхности подложки. Если краевой угол мал, то зарождение происходит при незначительном переохлаждении, если же краевой угол велик, то необходимо большее переохлаждение. Большинство применяемых в промышленности металлов содержит достаточное количество различных нерастворимых примесей, и зарождение кристаллов в расплавах
Жидкий металл
а - иппоапґ,
Подложка зо
Г лава 4
этих металлов происходит при переохлаждениях 1 — 10°С. Если количество имеющихся в жидком металле нерастворимых примесей недостаточно для эффективного развития процессов гетерогенного зарождения, в расплав могут быть введены так называемые катализаторы зарождения ').
Катализаторы зарождения. Катализаторы зарождения — это вещества, которые намеренно вводятся в жидкий металл для стимулирования процессов образования зародышей. Эти вещества могут быть соединениями, нерастворимыми в расплаве и имеющими с образующейся твердой фазой малый краевой угол; они могут быть также и химическими элементами, которые, реагируя с жидким расплавом, образуют соединения,
