Переход металла из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллической решетки называется кристаллизацией.

Превращения, происходящие в процессе кристаллизации, имеют важное значение, так как в значительной степени определяют свойства металла. Впервые процессы кристаллизации были изучены русским ученым Д. К. Черновым.

Рис. 2 Механизм кристаллизации (источник: http://stroyunid.ru/)

Кристаллизация состоит в следующем:

В жидком металле атомы непрерывно движутся. По мере понижения температуры движение замедляется, атомы сближаются и группируются в кристаллы. Эта первичная группа кристаллов получила название центров кристаллизации. Далее к этим центрам присоединяются вновь образующиеся кристаллы. Одновременно продолжается образование новых центров. Таким образом, кристаллизация состоит из двух стадий: образования центров кристаллизации и роста кристаллов вокруг этих центров.

Сначала рост кристаллов не встречает препятствий (рис. 1, а), и растущие кристаллы сохраняют правильность строения кристаллической решетки. При дальнейшем движении кристаллы сталкиваются, и образовавшиеся группы имеют уже неправильную форму, но сохраняют правильность строения внутри каждого кристалла. Такие группы кристаллов называют зернами (рис.1, б, в, г и д). На рис. 1, е показаны границы зерен различных размеров, что влияет на эксплуатационные свойства металла. Крупнозернистый металл имеет низкое сопротивление удару, при обработке мешает получению требуемого класса шероховатости поверхности. Размеры зерен зависят от различных факторов: природы самого металла и условий кристаллизации.

Рис.3 Кривые охлаждения (источник: http://stroyunid.ru/)

Так как процессы кристаллизации зависят от температуры и протекают во времени, то кривые охлаждения (рис. 2) строятся в координатах температура — время. На кривой 1 показан идеальный процесс кристаллизации металла без переохлаждения. Сначала температура понижается равномерно — кривая идет вниз. При достижении температуры затвердевания падение температуры прекращается — на кривой образуется горизонтальный участок. Это объясняется тем, что процесс кристаллизации проходит с выделением тепла. По окончании затвердевания температура снова понижается. По закону кристаллизации чистых металлов каждый металл кристаллизуется при строго индивидуальной температуре.

Практически кристаллизация протекает несколько иначе, так как часто имеет место переохлаждение,

т. е. металл при температуре затвердевания остается жидким, и кристаллизация начинается при более низкой температуре. Разница между идеальной и истинной температурой кристаллизации называется степенью переохлаждения. Кривая 2 соответствует процессу кристаллизации с переохлаждением. Кривая 3 характерна для кристаллизации неметаллов: нет четко выраженной температуры кристаллизации, затвердевание происходит постепенно. Степень переохлаждения является важнейшим фактором, определяющим величину зерна. При большой скорости охлаждения степень переохлаждения больше и зёрна мельче. Например при отливке тонкостенных изделий получается мелкозернистая структура, а при отливке толстостенных, соответственно, крупнозернистая.

Вторичная кристаллизация (аллотропия). Некоторые металлы: железо, кобальт, олово и др. — имеют в твердом состоянии две и более кристаллических решеток при неодинаковых температурах

Рис. 4 Аллотропические превращения в железе (источник: http://stroyunid.ru/)

Существование одного и того же металла в разных кристаллических формах называют аллотропией, (или полиморфизмом) а процесс перестройки одного вида атомов кристаллической решетки в другой — аллотропическим превращением.

Аллотропные формы, в которые кристаллизуется металл, обозначают буквами , , и т. д. Так, при температуре 1539°С железо из жидкого состояния переходит в твердое и образуется - -железо с объемно-центрированной кубической решеткой (рис. 3); между 1390 и 910°С устойчиво -железо немагнитное с гранецентрированной кубической решеткой, которая при дальнейшем охлаждении не перестраивается. При температуре 768°С железо из немагнитного -железа становится магнитным -железом. Эти модификации имеют важное практическое значение для термической обработки.