Процесс образования кристаллов из жидкости принято называть первичной кристаллизацией (в отличие от вторичной, происходящей в твердом металле). Начало образования кристаллов при охлаждении жидкого металла легко заметить, наблюдая так называемые кривые охлаждения, т. е. изменение температуры с течением времени.
Для построения такой кривой нужно иметь прибор для измерения температуры и счетчик времени. В качестве первого берется обычно пирометр, чаще всего термоэлектрический, в котором имеется термопара, погружаемая одним спаянным концом в испытуемый расплавленный металл, а другими концами приключаемая к зажимам прибора — милливольтметра (гальванометра), указывающего соответствующую температуру, пропорциональную возникающему термотоку.
Погрузив термопару в жидкий (расплавленный) металл, охлаждая его и наблюдая в нем падение температуры с течением времени, получим кривые охлаждения,а показывает, что при температуре Т на кривой получается горизонтальный участок, свидетельствующий об остановке температуры при охлаждении. Это и есть температура затвердевания металла или температура перехода из жидкого состояния в твердое. Подобный переход тела из одного состояния в другое принято называть превращением.
Температура, при которой совершается превращение, называется критической точкой. Нетрудно догадаться, что подобную же критическую точку можно получить не только при охлаждении, но и при нагревании, когда твердый металл будет плавиться.
Так как при плавлении теплота поглощается, то в момент плавления постепенный подъем температуры нагреваемого тела должен прекратиться, и это заметно также по горизонтальному участку на кривой нагревания; следовательно, точка Т является критической точкой плавления металла, отвечающей превращению, обратному затвердеванию.
Это пример так называемого обратимого превращения, которое при одной и той же температуре может совершаться в ту или другую сторону в зависимости от того, происходит ли нагревание или охлаждение.
Температура при таком обратимом превращении должна быть одна и та же (Г), отвечающая моменту, когда свободная энергия жидкой и твердой фаз одинакова,
т. е. обе фазы термодинамически находятся в равновесии.
Такая температура может получаться только при чрезвычайно медленном нагревании и охлаждении; с ускорением же их может наблюдаться расхождение в температурах, так что приходится различать температуру плавления (Т„д) от температуры затвердевания (Т3): Тпл обычно незначительно превышает теоретическую температуру Т равновесного сосуществования фаз, а Та получается ниже Т. Такое явление называется тепловым гистерезисом.
Оно особенно сильно проявляется при превращениях в твердых сплавах. Но и при затвердевании жидкости может наблюдаться небольшое снижение температуры Т, против температуры плавления Тпл. Кроме того, при затвердевании (охлаждении) нужно еще обратить внимание на самый начальный момент кристаллизации.
Теория и исследования показывают, что для затвердевания необходимо несколько переохладить жидкость, т. е. снизить ее температуру ниже температуры плавления (Тпя) на большую или меньшую величину, и тогда только начнется интенсивный процесс затвердевания, при котором выделение тепла повысит температуру до значения, близкого к температуре плавления, и будет держать ее неизменяемой вплоть до полного затвердевания жидкости.
Чтобы объяснить это явление, необходимо рассмотреть физическую сторону процесса возникновения кристаллов.
