щихся в жидкости гетерофазных флуктуации, представляющих собой
небольшие группировки атомов, для которых характерна такая же атомная
упаковка, как и для кристаллов. Гетерофазные флуктуации не устойчивы. Одни
из них растут, другие — разрушаются при тепловом движении атомов.
Возникновение зародышей кристаллизации на базе гетерофазных
флуктуации возможно в чистом металле. Оно называется гомогенным.
Рост зародышей возможен при
достижении ими критической величины. Зародыши меньших размеров не
устойчивы. Размер критического зародыша гкр определяется
из соотношения
(1.16)Здесь у — поверхностное
натяжение; Д[/ — разность свободных энергий
жидкого и твердого металла.
В процессе кристаллизации
свободная энергия системы изменяется в результате перехода металла из
жидкого в твердое состояние и образования поверхностей раздела.
Суммарное изменение свободной энергии металла АР можно определить из
выражения
(1.17)где V — объем зародыша; 5
— суммарная величина поверхности зародышей.
Энергия, необходимая для
гомогенного образования зародышей, может быть получена за счет
энергетических флуктуации, т. е. в результате появления в жидкости
группировок атомов, имеющих размеры больше критических и обладающих
повышенной энергией.
В технических металлах всегда
присутствуют примеси (включения), которые облегчают образование зародышей.
Примеси будут активными, если кристаллические решетки примеси и металла
одинаковы, а параметры указанных решеток близки. Это — принцип
структурного и размерного соответствия. Образование зародышей на
посторонних примесях называется гетерогенным.
Рост зародышей при
кристаллизации осуществляется в результате перехода атомов из
переохлажденной жидкости к кристаллам. Одиночный атом, попадая на
плоскую плотноупакованную грань зародыша, может вернуться обратно в
жидкость. Атомы на грани закрепляются с помощью двумерных зародышей,
представляющих собой плоские скопления атомов определенной величины. Атомы
легко присоединяются к кромкам двумерных зародышей, которые растут до
заполнения атомного слоя. Для дальнейшего протекания кристаллизации
необходимо образование нового двумерного зародыша.
Рост кристаллов значительно
облегчается при наличии на гранях различных дефектов поверхности в виде
ступенек и выступов, на которых легко удерживаются атомы. Выход на
поверхность кристалла винтовой дислокации создает на ней ступеньку, к
последней присоединяются атомы из жидкости. При этом она
закручивается вокруг неподвижной оси дислокации, в результате чего
возникают спирали роста.
Скорость кристаллизации металла
определяется скоростью образования зародышей, т. е. числом зародышей,
возникающих в единицу времени в единице объема К3, и скоростью
их роста, или скоростью
