Дәріс-4 Тақырыбы: Таза металдар мен қорытпалардың кристалдануы

Дәріс-4
Тақырыбы: Таза металдар мен қорытпалардың
кристалдануы
Дәріс жоспары:
4.1. Таза металдардың кристалдануы
4.2. Қорытпалардың кристалдануы
Дәрістің мақсаты: таза металдар мен
қорытпалардың кристалдануын зерделеу

4.1. Таза металдардың кристалдануы
Олардың сұйық немесе бу күйіндегі металдың кристалды құрылымды
қалыптастыру үшін қатты күйге ауысуы бірінші реттік кристалдану деп
аталады. Қатты кристалды денеде жаңа кристалдардың пайда болуы екінші
реттік кристалдану болып табылады. Кристалдардың өздігінен пайда болуы
біртекті (гомогенді) кристалдану деп аталады. Қолданыстағы кристалдану
орталықтарындағы өсу арқылы кристалдардың пайда болуы біртекті емес
(гетерогенді) кристалдану болып табылады.
Біртекті (гомогенді) кристалдану
Біртекті (өздігінен) кристалдану балқу термодинамикалық тұрақты күйге аз
еркін
энергиямен
ауысатын
жағдайда
жүреді,
ол
термодинамикалық
потенциалмен сипатталады G. Температураның жоғарылауымен металдың
термодинамикалық потенциалы қатты (G
қ
) және сұйық (G
с
) күйлерінде азаяды
және белгілі бір температурада тең болады T
s
— тепе-теңдік кристалдану
температурасы (4.1-сурет). T
s
тепе-теңдік температурасында сұйық және қатты
фазалар бір уақытта болады, яғни G
с
=G
қ
.

4.1 сурет. Температураға байланысты сұйық (G
с
) және қатты (G
қ
) күйдегі металдың
еркін энергиясының өзгеруі: Т
к
- кристалдану жүретін температура; T
s
–
кристалданудың тепе-теңдік температурасы

Кристалдану қатты күйдегі металдың термодинамикалық
потенциалы сұйық күйдегі термодинамикалық потенциалдан аз
болған кезде, яғни T
s
тепе-теңдік температурасынан төмен
металды салқындату кезінде жүреді. ΔТ=T
s
-T
кр
шамасы аса
салқындату дәрежесі деп аталады және металдың табиғатына
тәуелді.
Ол
металл
тазалығының
жоғарылауымен
және
салқындату жылдамдығының өсуімен артады.
Балқу - кристалдануға кері процесс, тепе-теңдіктен жоғары
температурада жүреді, яғни асқын қызу кезінде. Нақты
кристалдану
мен
балқу
температураларының
арасындағы
айырмашылық температуралық гистерезис деп аталады. Әртүрлі
жылдамдықпен (v) салқындату кезінде таза металдардың
кристалдану процесін сипаттайтын термиялық қисықтары 4.2-
суретте келтірілген.

4.2 cурет. Металды салқындату қисықтары: Т
к
- кристалданудың басталу
температурасы; T
s
- сұйық және қатты фазалар бір уақытта болатын температура; ΔT —
аса салқындату дәрежесі; ΔT
1
, ΔT
2
, ΔT
3
– аса салқындату дәрежесі салқындату
жылдамдығы кезінде сәйкесінше v
1
, v
2
, v
3

Салқындату кезінде сұйық металдың температурасы
біртіндеп
төмендейді.
Нақты
кристалдану
температурасына жеткенде (T
1
,
T
2
,
T
3
)
салқындату
қисықтарында көлденең аймақтар пайда болады, өйткені
қоршаған ортаға жылу беру жасырын кристалдану
жылуымен өтеледі. Кристалдану аяқталғаннан кейін
қатайтылған металдың температурасы қайтадан біртіндеп
төмендейді. Баяу салқындаған кезде (v
1
) аса салқындату
дәрежесі (ΔT
1
) аз болады және кристалдану тепе-теңдікке
жақын
температура
кезінде
жүреді.
Салқындату
жылдамдығының
жоғарылауымен
кристалдану
тым
төменгі температура кезінде жүреді, бұл ретте аса
салқындату дәрежесі жоғарылайды.

Сұйық күйде жылу қозғалысына байланысты металл атомдары ретсіз
қозғалады. Сонымен қатар, сұйықтықта микрокөлемдер бар, олардың
ішінде металл атомдарының орналасуы олардың кристалл торындағы
орналасуына ұқсас. Мұндай топтар фазалық тербелістер (флуктуациялар)
деп аталады. Фазалық тербелістер тұрақсыз, олар ериді және сұйықтықтың
басқа элементар көлемінде қайта пайда болады. Сұйық металдың аса
салқындату ең үлкен тербелістер тұрақты және өсуге қабілетті болады.
Атомдардың бұл тұрақты топтары кристалдану орталықтары немесе
эмбриондар деп аталады. Кристалдану процесінде пайда болатын
эмбриондар әртүрлі мөлшерде болуы мүмкін. Эмбрионның өсуі оның өсуі
бос энергияның төмендеуіне әкелетін белгілі бір мөлшерге жеткен жағдайда
ғана мүмкін болады. Аса салқындату дәрежесінің жоғарылауымен
эмбриондар саны мен кристалдану жылдамдығы артады. Кристалдардың
өсуі сұйық фазадан барлық жаңа атомдардың эмбриондарына қосылудан
тұрады (4.3, а-сурет).

4.3 сурет. Металдың кристалдану сұлбасы: а – кристалдардың
өсу сұлбасы; ә - дендриттің құрылымы; в - дендриттің түзілу сұлбасы

Көптеген
жағдайларда
металдардың
кристалдануы
жоғары
жылдамдықпен жүреді (металды құймаққа құю кезінде кристалдану,
металл қалыптарға құю кезінде балқыманың кристалдануы). Металлдың
тез салқындауымен кристалдар біркелкі емес өседі. Эмбриондардың
өстердің бірінде өсуі (температураның ең үлкен градиенті бағытында) басқа
өстердің өсуінен едәуір асып түседі, дендриттік кристалдану деп аталады.
Д.К. Чернов, дендриттің өсуін сипаттайды (4.3. ә-сурет.) "кристалдану
өстерінің реті" ұғымын енгізді. Эмбрион пайда болғаннан кейін оның
дамуы (4.3, б-сурет) температураның ең үлкен градиенті бағытында жүреді
(бірінші ретті өс). Бірінші ретті өстер мөлшерінің ұлғаюы тек ұзындықта
ғана емес, сонымен бірге оның ені де артады. Болашақта бірінші ретті
өстерден белгілі бір бұрыштарда екінші және үшінші ретті өстер деп
аталатын жаңа өстер өсе бастайды. Жоғары ретті өстер өскен сайын
(төртінші, бесінші және т.б.) бұрын сұйық металл алып жатқан барлық
аралықтар біртіндеп толтырылады.