Критический зародыш образуется там, где участок расплава размером не меньше критического обладает повышенной энергией не ниже определенного уровня

Зависимость кристаллизационных параметров от степени переохлаждения DТ показана на рис. 1.2.3.

Рис.1.2.3 - Зависимость кристаллизационных параметров от степени переохлаждения: n – скорость зарождения центров кристаллизации; с - линейная скорость роста кристаллов

С увеличением DT сильно уменьшаются DG_кр и r_кр, возрастает термодинамический стимул DG_об. Это приводит к росту n. С понижением температуры уменьшается вероятность присоединения к критическому зародышу атомов из расплава, что приводит к снижению n при достаточно больших переохлаждениях. В результате совместного влияния двух противоположно действующих факторов кривая n - DT проходит через максимум.

В реальных расплавах такое гомогенное зарождение кристаллов происходит крайне редко, так как для зарождения кристаллов всегда имеются готовые подложки – стенки литейной формы и взвешенные частицы разной природы (оксиды, нитриды и т.д.). Зарождение кристаллов на готовых подложках является гетерогенным.

Размер зерна при кристаллизации можно изменять в широких пределах. Для этого необходимо изменить число активных частиц – катализаторов кристаллизации. На этом основан широко применяемый в металлургии способ, называемый модифицированием. Существует несколько способов модифицирования. Согласно одному из них, в расплав вводят множество дисперсных нерастворимых частиц, которые при последующем охлаждении способствуют интенсивному развитию несамопроизвольной кристаллизации (дополнительные центры кристаллизации). В результате отливка получается мелкозернистой.

В другом случае в жидкий металл вводят небольшое количество (0,001-0,1%) растворимых добавок, которые уменьшают поверхностное натяжение на границе раздела между жидкой и твердой фазами, снижая флуктуации энергии Гиббса, необходимые для образования зародыша. Иногда расплав обрабатывают ультразвуком.

Во время превращения в твердом состоянии (например, a ® b) действует еще один фактор, затрудняющий зарождение центров превращения. Новая фаза всегда отличается от исходной структурой и удельным объемом. Так как превращение развивается в упругой кристаллической среде, то изменение удельного объема при этом вызывает появление энергии упругой деформации в одной или обеих фазах, что затрудняет превращение и повышает энергию Гиббса. Тогда

DG=DG_об +DG_пов + DG_упр. (1.2.13)

Слагаемое DG_упр, которое не было учтено при выводе ранее рассмотренных формул, качественно не меняет заключения о характере зависимости изменения энергии Гиббса при изотермическом превращении DG от размера зародыша r (рис. 1.2.2).