- •(Избранные главы)
- •Введение
- •1. Электронная структура металлов и периодическая система элементов
- •2. Атомно-кристаллическое строение металла и его значение для сварки
- •2.1. Роль атомного строения металлов
- •2.2. Роль кристаллического строения металлов.
- •3. Типы связей в кристалле
- •3.1. Ионная связь
- •3.2. Ковалентная связь
- •3.3. Связь Ван-дер-Ваальса
- •3.4. Металлическая связь
- •4. Физические свойства, определяемые силами сцепления
- •5. Твердые растворы, структура твердых растворов
- •6. Термодинамика в металлургии
- •6.1. Химический потенциал
- •6.2. Правило фаз Гиббса
- •7. Кристаллизация (затвердевание)
- •7.1. Гомогенное образование зародышей
- •7.2. Гетерогенное образование зародышей
- •7.3. Перераспределение примесей при кристаллизации
- •8. Краткий обзор фазовых превращений
- •8.1. Влияние исходного состояния на фазовые превращения
- •8.2. Процессы роста при фазовых превращениях
- •9. Базовые понятия теории дислокаций
- •9.1. Контур Бюргерса
- •9.2. Типы дислокаций и их движение
- •9.3. Дислокационные узлы и закон Кирхгофа для векторов Бюргерса
- •9.4. Точечные дефекты
- •10. Ползучесть металлов
- •10.1. Релаксация напряжений
- •10.2. Три основных вида ползучести и соответствующие им участки на диаграмме ползучести
- •10.3. Неупругая ползучесть (обратимая ползучесть)
- •10.4. Низкотемпературная ползучесть (логарифмическая ползучесть)
- •10.5. Высокотемпературная ползучесть (ползучесть Андраде)
- •Заключение
- •Библиографический список
- •394026 Воронеж, Московский просп. 14
7.2. Гетерогенное образование зародышей
На сегодняшний день достоверно известно всего лишь два примера гомогенного образования зародышей: затвердевание воды и затвердевание капелек ртути, покрытых лауратом ртути. Все остальные случаи следует рассматривать как случаи гетерогенного зародышеобразования.
В формальной теории гетерогенного зародышеобразования обычно принимается, что зародыш, образующийся на инородной подложке, имеет куполообразную форму, обладающую сферической симметрией, и характеризуется равновесным контактным углом θ (рис. 5).
|
Рис. 5. Равновесие сил поверхностного натяжения на границе кристалл – подложка
|
Величина этого угла определяется соотношением
γms = γcs + γmc cos θ, (7.9)
где индексы т, с и s относятся к расплаву, кристаллу (зародышу) и подложке соответственно, а удельные поверхностные энергии γ являются усредненными величинами. Согласно этой модели, термодинамический барьер ∆G*, затрудняющий процесс зародышеобразования, дается выражением
∆G* = 16π (γтс)3 f (θ)/3 (∆Gv + E)2 , (7.10)
где
f (θ) = 1/4 (2 + cos θ) (1 – cos θ)2, (7.11)
а Е — энергия упругой деформации, возникающей при образовании зародышей (обычно она принимается постоянной и при большинстве численных расчетов приравнивается нулю).
Исходя из уравнений (7.6) или (7.8), можно ожидать, что скорость зародышеобразования I будет изменяться так, как показано на рис. 6, т. е. в какой-то момент очень быстро возрастая от ничтожно малой до некоторой значительной величины при относительно небольшом понижении температуры, так что часто можно говорить о критическом переохлаждении, необходимом для обеспечения заметной скорости зародышеобразования.
|
Рис. 6. Качественная картина изменения скорости зарождения новых кристаллов в зависимости от температуры подложки
|
Было обнаружено, что максимальное переохлаждение ∆Тмакс для большей части жидкостей превышает 0,15 Тm , где Тm – температура плавления в градусах Кельвина (для металлов с гранецентрированной или объемноцентрированной кубическими решетками ∆Тмакс/ Тm ~ 0,18).
Между теорией зародышеобразования и экспериментом существует вполне удовлетворительное согласие в том отношении, что для характеристики процесса зародышеобразования можно использовать некоторый контактный угол θ. Однако до сих пор не совсем ясно, чем определяется величина θ и как она изменяется.
Физические эффекты. До сих пор, обсуждая зародышеобразование, мы касались почти исключительно лишь химических (термодинамических) аспектов этого вопроса. Другой аспект связан с явлениями, которые часто наблюдаются на практике, но еще недостаточно понятны – это механический аспект.
Так известно, что колебания затвердевающей жидкости, как звуковые, так и ультрозвуковые, увеличивают частоту возникновения зародышей. Наличие макропотоков в жидкой фазе во время затвердевания также приводит к увеличению скорости зародышеобразования I. При больших переохлаждениях зарождение одного-единственного зерна вызывает лавинообразное нарастание числа зародышей и соответственно очень резкое возрастание I. Скорость зародышеобразования I можно увеличить также за счет некоторых других физических эффектов, например применением сильных электрических или магнитных полей.