Лекция 1 Кристаллическая структура металлов Классификация материалов по назначению Структура материалов

6. Самопроизвольная кристаллизация 
Самопроизвольная кристаллизация обусловлена стремлением вещества 
иметь более устойчивое состояние, характеризуемое уменьшением 
термодинамического потенциала G. 
С повышением температуры термодинамический потенциал вещества 
уменьшается как в твердом, так и в жидком состоянии (рис. 6). 
Рис. 6 Изменение термодинамического потенциала в зависимости от 
температуры для металла в твердом и жидком состояниях
Точка пересечения кривых (Тк) - равновесная температура 
кристаллизации, при которой Gтв= Gж, т.е. система находится в равновесном 
состоянии, процесс кристаллизации не идет. Кристаллизация происходит в 
том случае, если Gтв будет меньше, чем Gж. Это возможно при некотором 
переохлаждении расплава (ΔТ) - при Т ниже Тк (равновесной). ΔТ называется 
степенью переохлаждения
. 
Плавление
- процесс обратный кристаллизации, происходит при 
температуре, выше равновесной. при некотором перегреве. 
В процессе кристаллизации выделяется тепло, у чистых металлов на 
кривой охлаждения наблюдается горизонтальный участок («ступенька») - 
поскольку кристаллизация протекает при постоянной температуре. Степень 
переохлаждения увеличивается с повышением чистоты металла и ростом 
скорости охлаждения. 
В расплаве металла имеет место ближний порядок в расположение 
атомов. Ближний порядок неустойчив и быстро нарушается вследствие 
теплового движения частиц. При переохлаждении некоторые частицы 
(
зародыши кристаллизации
) с размером R
критическое
становятся устойчивыми и 

способными к росту. Образование зародыша ведет к снижению 
термодинамического потенциала G. 
Чем больше степень переохлаждения ΔТ, тем меньше размер зародыша 
R
критическое
.
Рост кристалла происходит путем диффузии атомов из жидкости к 
зародышу новой фазы. Примеси облегчают процесс кристаллизации, являясь 
подложкой для образования зародышей. Растущие кристаллы имеют 
правильную форму. При их срастании правильная форма нарушается. 
Закристаллизовавшийся металл состоит из множества зерен - кристаллов 
неправильной формы (рис. 7). 
Рис.7 Модель процесса кристаллизации 
Величина 
образовавшихся 
кристаллов 
зависит 
от 
степени 
переохлаждения ΔТ. Чем выше ΔТ, тем больше число зародышей, и меньше 
их размер (рис. 8). 
Рис. 8 Зависимость скорости роста и числа зародышей кристаллизации 
от степени переохлаждения (ч.з. -число зародышей, с.р. - скорость роста 
кристаллов).
Из рис. видно, что при бесконечно большом переохлаждении образуется 
аморфная структура. 
В образовавшемся слитке металла кристаллы имеют форму дендрита 
(дерева). При образовании кристаллов их развитие идет в основном в 
направлении, перпендикулярном плоскостям с максимальной плотностью 

упаковки атомов. Первоначально образуются длинные ветви, так называемые 
оси первого порядка
. На их ребрах зарождаются и растут перпендикулярные к 
ним 
ветви второго порядка, 
в свою очередь на них растут 
оси третьего 
порядка 
и т.д. Образуются кристаллы древовидной - дендритной формы. 
Преимущественный рост кристалла происходит в направлении отвода тепла. 
Рис. 9Дендритная кристаллизация: а – схема дендритного строения по 
Чернову; б – схема кристаллизации слитка; дендриты: Чернова (в), на 
поверхности сурьмы (г) и алюминия (д). 
Рис.10 Величина и форма кристаллов слитка в зависимости от условий 
охлаждения