Лабораторная работа 1

Изучение процесса кристаллизации

Цель работы :  1. С помощью   биологического    микроскопа    провести наблюдение за процессом кристаллизации из раствора соли.

2. Определить факторы, влияющие на формирование структуры кристаллического тела.

Теоретические сведения

Переход материала из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллической структуры называется  кристаллизацией.

Самопроизвольная кристаллизация обусловлена стремлением вещества иметь более устойчивое состояние, характеризуемое уменьшением термодинамического потенциала G (энергии Гиббса). Энергетическое состояние веществ а  при равновесии  характеризуется  минимальным  значением G. С повышением температуры термодинамический потенциал вещества уменьшается как в твердом, так и в жидком состоянии (рис. 1).

Температура, при которой термодинамические потенциалы вещества в твердом и жидком состоянии равны (T_s ), называется  равновесной температурой кристаллизации. Кристаллизация происходит в том случае, если термодинамический потенциал вещества в твердом состоянии будет меньше термодинамического потенциала вещества в жидком состоянии, т.е. при переохлаждении жидкого металла до температуры ниже равновесной.

Разница между равновесной (T_s ) и реальной (T_k ) температурами кристаллизации называется   степенью переохлаждения (T ). На величину переохлаждения оказывает влияние скорость охлаждения (рис. 2). Процесс кристаллизации слагается из двух одновременно идущих процессов: образования центров кристаллизации (зародышей) и роста кристаллов из этих центров. В жидком состоянии атомы вещества вследствие теплового движения перемещаются беспорядочно. В то же время в жидкости имеются относительно устойчивые группировки атомов небольшого объема. В пределах группировки расположение атомов вещества во многом аналогично их расположению в решетке кристалла. Эти группировки распадаются и вновь появляются в разных местах жидкости. При переохлаждении некоторые из них, наиболее крупные, становятся устойчивыми и способными к росту. Эти устойчивые группировки атомов называются   центрами кристаллизации.

Процесс образования кристаллов путем зарождения центров кристаллизации и их роста можно изучить с помощью модели, представленной на рис. 3.

Эта модель позволяет объяснить два важных момента:

1. По мере развития процесса кристаллизации в нем участвует все большее число кристаллов. Процесс ускоряется до тех пор, пока в какой-то момент взаимное столкновение растущих кристаллов не начинает заметно препятствовать их росту.

2. Пока кристалл окружен жидкостью, он имеет правильную форму, но при столкновении кристаллов форма нарушается - она оказывается зависимой от условий соприкосновения кристаллов. Такое строение металла называется   поликристаллическим (гр. poly - много). Кристаллы неправильной формы в полукристаллическом агрегате называются кристаллитами, или зернами.

Скорость процесса кристаллизации количественно определяется двумя величинами: скоростью зарождения центров кристаллизации (ч.ц.) и скоростью роста кристаллов (с.к.).  Установлено, что  ч.ц.  и с.к. зависят от степени переохлаждения. Эта зависимость выражается кривыми с максимумом (рис. 4). При теоретической температуре кристаллизации значения ч.ц.  и  с.к. возрастают (так как возрастает G, рис. 1), достигают максимума и затем понижаются (так как при пониженных температурах уменьшается подвижность атомов).

Размер образовавшихся кристаллов зависит от соотношения величин  с.к.  и  ч.ц. при данной степени переохлаждения. При большом значении с.к.   и малом значении ч.ц. (малые степени переохлаждения, рис. 4) образуются немногочисленные крупные кристаллы, при малых значениях с.к.  и  ч.ц. (большие степени переохлаждения) образуется большое количество мелких кристаллов. Реально протекающий процесс кристаллизации усложняется действием различных факторов, и роль степени переохлаждения может стать в количественном отношении второстепенной.

При кристаллизации из жидкого состояния для скорости течения процесса и для формы образующихся кристаллов первостепенное значение приобретают такие факторы, как скорость и направление отвода тепла, наличие не растворившихся частиц, конвекционных токов жидкости и т.д.

В направлении отвода тепла кристалл растет быстрее, в результате чего образуется вытянутый кристалл, так называемый  дендрит (древовидный).

Сочетание перечисленных факторов (часто не поддающихся точному учету) с общими законами кристаллизации и определяет особенности строения металлического слитка (рис. 5). Структура литого металла состоит из трех основных зон. Сначала на поверхности слитка образуется зона 1 - мелкие кристаллы (результат влияния холодной металлической формы, которая обеспечивает в первые моменты затвердевания большую степень переохлаждения). Затем формируется зона 2. Из-за повышения температуры стенки формы степень переохлаждения уменьшается, в результате чего из небольшого числа центров в направлении отвода тепла начинают расти дендриты.

Зона 3 – зона равноосных кристаллов. В центре слитка уже нет определенной направленности отдачи теплоты, наблюдается наименьшая степень переохлаждения, и поэтому образуются равноосные зерна больших размеров. При определенных условиях (перегретый жидкий металл, малое содержание примесей) зона равноосных кристаллов может отсутствовать.

В процессе кристаллизации капли раствора соли, как и при затвердевании металлического слитка, наблюдаются три структурные зоны.