Влияние температуры на изменение свободной энергии металла в жидком и твердом состояниях

Кристаллизация происходит путем образования зародышей твердой фазы. Время затвердевания и количество зародышей, определяющих структуру литого металла, зависят от степени переохлаждения Д6 и общего изменения свободной энергии AF. Изменение свободной энергии системы происходит за счет перехода некоторого объема жидкой фазы с большим уровнем энергии в твердую фазу с меньшим уровнем энергии, а также за счет возникновения межфазной поверхности.

AF = AFo6 + AFпов

В зависимости от способа формирования межфазной поверхности различают самопроизвольную (гомогенную) или нссамо-произвольную (гетерогенную) виды кристаллизации. Самопроизвольная кристаллизация предполагает переохлаждение жидкой фазы, наличие флуктуации энергии в жидкой фазе, образование зародышей твердой фазы в любом участке жидкой фазы, размер зародышей должен быть больше критического для стимулирования надежного их роста.

рис 2.9 Влияние температуры на изменение свободной энергии металла в жидком и твердом состояниях

Критический размер зародышей пропорционален поверхностному натяжению о и обратно пропорционален разности удельных свободных энергий твердой и жидкой фазы Л/:
rKp = 2c/Af

Формирование зародышей твердой фазы требует энергетических затрат на образование поверхности раздела AFnOB. Эти затраты могут быть уменьшены, если в жидкой фазе имеются не-растворнвшиеся частицы, неметаллические включения, стенки изложниц и т. п. В этом случае кристаллизацию называют неса-мопроизволыюй или гетерогенной.

Скорость объемной кристаллизации зависит от числа зародышевых центров п, возникающих в единице объема за единицу времени, и от линейной скорости роста с, определяемых числом двумерных зародышей. Параметры п и с показывают, как быстро зародыши новой фазы возникают и как быстро они затем растут. Важное влияние оказывает степень переохлаждения. Чем больше Д6, тем меньше критический размер зародыша, тем интенсивнее растут л и с, а в результате увеличивается скорость образования твердой фазы.

В сплавах, получаемых сплавлением двух или более элементов, фазы могут образовываться в твердом состоянии. Если сплав находиться в жидком состоянии, то компоненты, его составляющие, способны неограниченно растворяться, хотя в некоторых случаях возможно существование нескольких жидких фаз, несмешиваемых друг с другом.