Germinarea omogena

Probabilitatea reorganizarii structurii topiturii simultan in toata masa este redusa, dar procesul este posibil pentru volume mici din diverse puncte ale lichidului. Gruparile de atomi care apar se numesc germeni (nuclee), iar procesul germinare omogena. Formarea germenilor impune existenta unei subraciri DT sub temperatura de solidificare T_e.

Daca se noteaza cu G_L energia libera a fazei lichide si cu G_S energia libera a fazei solide (G_L > G_S ), la temperatura T = T_e - DT apare scaderea energiei libere DF care reprezinta forta motrica a transformarii

Dintre germenii aparuti sunt stabili doar cei care au o energie mai mare decat energia critica. Stabilitatea unui germene e determinata de conditia ca, prin cresterea lui, sa contribuie la scaderea energiei libere a sistemului.

Existenta unui germene care are raza r contribuie la reducerea energiei libere a sistemului (prin reducerea energiei volumice a fazei solide comparativ cu cea lichida), dar si la marirea energiei libere prin aparitia unei energii datorate tensiunii superficiale a interfetei solid-lichid. Se noteaza:

DF diferenta dintre energia libera a unitatii de volum dintre cele doua faze:

  (4.9)

s energia superficiala a unitatii de suprafata pe interfata dintre germeni si topitura.

Pentru un germene cu raza r, variatia energiei libere pe care o produce este:

  (4.9)

Pentru ca dezvoltarea unui germene sa conduca la reducerea energiei libere, este necesar ca dimensiunea lui sa fie mai mare decat raza critica r_cr care corespunde maximului curbei (punctul in care derivata I a energiei totale este nula).

Figura 4.16 Variatia energiei de volum, de suprafata si a energiei libere in functie de dimensiunea nucleului de cristalizare

Din conditia:

  (4.11)

Se obtine valoarea:

Energia libera volumica poate fi determinata cu relatia:

  (4.13)

in care:

DH_f - este caldura latenta de topire a materialului;

DT gradul de subracire la care are loc transformarea;

T_e - temperatura absoluta de echilibru pentru transformarea lichid solid.

In cazul germinarii omogene, valoarea gradului de subracire este de ordinul:

In tabelul 4.3 sunt prezentate valorile marimilor ce intervin in relatia de calcul a razei critice pentru unele metale.

In majoritatea situatiilor este de dorit ca marimea grauntilor obtinuti in urma solidificarii sa fie cat mai redusa, ceea ce impune si o valoare mica a razei critice. Reducerea razei critice se poate obtine fie prin cresterea gradului de subracire (marirea vitezei de racire la solidificare), fie prin utilizarea unor adaosuri de elemente solubile (modificatori) care modifica valoarea tensiunii superficiale.

Valoarea concentratiei necesare pentru realizarea unor straturi monoatomice de substanta superficial activa este de 0,0010,01%.