Кристалдану процесінің механизмдері

Қатаю температурасына жуық температурада кристалдық заттың туындылары сұйық металдың ішіндегі тығыздығы жоғары атом топтарынан құрылады. Пайда болған туындылар қоршаған сұйық фазадан жеке атомдарды қосып алу арқылы өсіп, бірте-бірте микрокристалға (түйіршікке) айналады. Кристалдану процесі кезінде микрокристалдар бір-бірімен кездескенде сұйық фазаның есесінен ары қарай өседі. Процесс аяқталғанда олар бүкіл металл құймасының көлемін толтырып, оның микроқұрылысын құрайды (3.4-сурет).

3.4- сурет. Металдың кристалдану процесінің схемасы.

Түйіршіктердің өлшемі туындылардың пайда болу және өсу жылдамдықтарының арақатынасына тікелей байланысты. Асыра суыну дәрежесі кішкене жағдайда, мысалы жылуөткізгіштігі төмен ыдысқа құйылған металл кристалдарының өсу қарқыны үлкен, туындылардың пайда болу жылдамдығы төмен болады. Демек металдың құрылымы ірітүйіршікті болады. Сұйық металды салқын ыдысқа құйатын болса, туындылардың пайда болу жылдамдығы көтеріледі, мұндай жағдайда қалыптасатын құрылым ұсақтұйіршікті болады.

Түйіршіктің өлшемінің қалыптасуына сұйық металды қыздыру температурасы мен тарата құю жолы, оның химиялық құрамы, әсіресе кездейсоқ кірмелердің болуы әсерін тигізеді.

Күнделікті жағдайларда сұйық металда кристалдардың өздігінен туындауы қиындау. Көбінесе туындылардың пайда болуына көзіне қатты бөлшектер (металл емес кірмелер, тотықтар, тотықсыздандыру өнімдері) түрткі болады.

3.5– сурет. Асыра суыну дәрежесінің кристалл туындыларының пайда болу жылдамдығы мен олардың өсуіне тигізер әсері.

Жылудың бөлініп шығу бағытына сәйкес, демек ыдыстың қабырғасына перпендикуляр бағытта алғашқы (бірінші реттік) осьтері пайда болады. Сонымен бірге бірінші реттік осьтің қабырғаларына перпендикуляр екінші реттік туындылар пайда болып өсе бастайды, одан әрі үшінші реттік ж.б. жалғаса береді. Нәтижесінде ағаштың бұтағына ұқсас дендрит аталатын тармақталған кристалдар құрылады.

Кристалдану үш аумақтан тұрады. Бетінде ұсақ түйіршікті аумақ 1, одан әрі - бағаналы кристалдар аумағы 2 және ортасында домалақ ірі кристалдар аумағы 3.

Беткі үсақтүйіршікті домаланған кристалдардың пайда болу себебі, ыдыстың суық қабырғасымен ыстық металл арасындағы температура айырмасы күрт өзгеруіне байланысты суыну жылдамдығы аса шапшаң жүреді де, металдың ыдысқа тиген қабырғаларында саны көп кристалдар орталығы пайда болып, ұсақ түйіршікті құрылым түзіледі.

Беткі қабатында жұқа қабыршық түзілгеннен кейін кристалдану шарты өзгереді де асыра суыну дәрежесі төмендейді. Сонымен саны аз кристалдану орталарынан ыдыстың қабырғасына перпендикуляр жылудың бөлініп шығу бағытымен бағаналы кристалдар түзіліп, екінші аумақ құрылады. Кристалдардың жан-жаққа өсуіне көршілес дендриттер кедергі жасайды.

Үшінші аумақ – тепе-теңдіктегі кристалдар аумағы. Құймакесектің ортаңғы бөлімінде жылу белгілі бағытта бөлініп шықпайды. Кристалл туындыларының ролін жан-жақтан ысырылып ортасында жиналған әртүрлі ұсақ қатты бөлшектер атқарады.

Құрылған кристалл пішіндері металдың қасиетіне әртүрлі әсерін тигізеді. Бағаналы аумақта газды қуыстар, көпіршіктер болмайды, мұнда кристалдар тығыз орналасқан. Бірақ бағаналы кристалдардың жіктері осал болып келеді де, қысып өңдеу процесінде жарылып кету қаупі туады. Сондықтан, болат тәрізді созымталдығы төмен материалдарда бағаналы кристалдардың дамуы қолайсыз жәй. Құрылымы бағаналы кристалдан тұратын құймалар алу көбінесе мыс және оның қорытпалары сияқты созымтал материалдар үшін тиімді.

1 – беткі қабаты; 2 – бағаналы кристалдар ауданы; 3 – тепе-тең кристалдар ауданы; 4 – шөгу қуысы

3.7– сурет. Болат құймакесегінің құрылысы

3.5 Полиморфтық өзгеріс
Көптеген металдар температураның өзгеруіне байланысты әртүрлі кристалдық пішінде болуы мүмкін. Металдың кристалдық торларының бір түрден екінші түрге өзгеру қабілеті полиморфты өзгеру деп аталады.

Полиморфты өзгеру кезінде жаңа пішінді кристалдардың өсуі атомдардың бір - бірімен байланысып, фазалардың шекарасынан ретсіз өтуінен туындайды. Бастапқы фазадан бөлініп шыққан атомдар (мысалы ) кейде дара, кейде топталып жаңа фазаның торына () қосылады, сол себепті  модификациялы кристалдың шекарасы бастапқы фазаны «жұтып»,  модификациялы кристалға ауысады.

Төмен температурада тұрақтанған кристалдық торлар  әрпімен, жоғары температурада тұрақтанған кристалдық торлар ,  т.б. әріптер арқылы белгіленеді.

Полиморфты өзгере алатын кейбір металдар тізбегі: Fe  Fe , Ti   Ti ; Mn Mn Mn Mn; Sn Sn т.б.

3.8 – сурет. Темірдің суыну графигі.