Technologie wytwarzania metali

• Odlewanie

• Metalurgia proszków

• Otrzymywanie monokryształów

• Otrzymywanie materiałów superczystych

• Techniki próżniowe

KRYSTALIZACJA METALI I STOPÓW

Równowaga faz w układzie jednoskładnikowym

Krzepnięcie - przemiana 
fazy ciekłej w fazę stałą

Krystalizacja – przemiana 

fazy ciekłej w fazę stałą o 
budowie krystalicznej. Ma 
podstawowe znaczenie w 
procesie kształtowania 
wyrobów metalowych na 
drodze odlewania

Zmiany temperatury w funkcji czasu chłodzenia od stanu 
ciekłego: 1-3 materiały krystaliczne, 4 materiał amorficzny

•

Krystalizacja przebiega przez zarodkowanie i wzrost 

zarodków krystalizacji:

1. zarodkowanie - powstawanie zarodków krystalizacji, 

czyli miejsc, od których kryształy zaczynają powstawać  
-

zarodki krystalizacji

– zespoły bliskiego 

uporządkowania w fazie ciekłej o wielkości większej od 
krytycznej (kilkuatomowe skupiska fazy stałej o typowej 
dla niej strukturze krystalicznej), które rozrastając  się 
powodują stopniowe przechodzenie fazy ciekłej w stałą.

2. swobodny wzrost pojedynczych kryształów zwany 

propagacją krystalizacji

3. reorganizacja warstwy powierzchniowej i powstawanie 

tzw. mikrostruktury krystalicznej, 

4. zlepianie się pojedynczych kryształów w większe 

struktury.

•Szybkość krystalizacji zależy od:

–szybkości zarodkowania, tj. liczby zarodków 
krystalizacji tworzących się w ciągu jednostki 
czasu w jednostce objętości cieczy,

–liniowej szybkości krystalizacji, tj. szybkości 
przesuwania się frontu krystalizacji, mierzonej 
w jednostkach długości na jednostkę czasu.

•Aby krystalizacja mogła się rozpocząć, procesowi temu musi 
towarzyszyć 

zmniejszenie się energii swobodnej układu

.

•Jest to możliwe wówczas, gdy temperatura ciekłego metali spadnie
nieco poniżej temperatury krystalizacji (Ts) tj. temperatury 
równowagi faz; ciekłej i stałej. 

•Temperaturę, w której praktycznie zaczyna się krystalizacja, 
nazywamy rzeczywistą temperaturą krystalizacji (Tp). Natomiast 
różnicę między teoretyczną a rzeczywistą temperaturą krystalizacji 
nazywamy 

stopniem przechłodzenia (

∆T)

• Przy nieznacznym przechłodzeniu (małej szybkości 
chłodzenia) metal ma strukturę gruboziarnistą
• Ze zwiększeniem szybkości przechłodzenia liniowa 
szybkość krystalizacji wzrasta 

wolniej

od szybkości 

zarodkowania, metal ma strukturę drobnoziarnistą
• Maksimum szybkości zarodkowania odpowiada większemu 
przechłodzeniu niż maksimum liniowej szybkości 
krystalizacji,  metal osiąga w tym zakresie najmniejszą 
wielkość ziarna
• Przy bardzo dużych szybkościach chłodzenia szybkość 
zarodkowania i liniowa szybkość krystalizacji są równe zeru, 
metal posiada amorficzną strukturę szkła.

Zarodkowanie

może być:

•

homogeniczne, gdy prawdopodobieństwo 

powstania zarodka jest jednakowe w dowolnym 
miejscu układu. 

•

heterogeniczne, gdy funkcje zarodków przejmują 

obce, nierozpuszczone w cieczy cząstki faz 
stałych

,

Zarodki na obcym ciele 
stałym np.: ściany formy 
odlewniczej, cząstki 
zanieczyszczeń stałych w 
cieczy itp..

Zarodkowanie heterogeniczne

Wzrost zarodków – osadzanie na jego powierzchni atomów z cieczy w 

pozycjach odpowiadających położeniom w sieci przestrzennej.

•Prawdopodobieństwo (teoretyczne) przyłączenia atomu do zarodka 
wzrasta w kolejności położeń: ściana –1, krawędź – 2, naroże – 3 (1,2,3-
kierunkowe działanie wiązań).

•Najkorzystniejsze rzeczywiste warunki: stopnie na powierzchni  w wyniku 
wyjścia na powierzchnię dyslokacji śrubowej. 

•Warunek postępu krystalizacji: odprowadzanie ciepła krzepnięcia, które 
zmniejsza przechłodzenie.

Krystalizacja czystych metali - wzrost dendrytyczny

Schemat wzrostu dendrytu (kryształu o kształcie drzewa): gdy w 
wyniku wydzielania ciepła krzepnięcia i zaniku przechłodzenia 
zostanie zahamowany szybki wzrost kryształu od A do B, kryształ 
zaczyna wzrastać w innym kierunku w miejscu dostatecznego 
przechłodzenia, np. od C do D.

Kolejne etapy krystalizacji: a) zarodki, b) dendryty, c) ziarna

Krystalizacja stopów – cechy charakterystyczne

• skład fazy ciekłej i stałej zmieniają się w trakcie krystalizacji

• krystalizacja przebiega zwykle w zakresie temperatur (likwidus – solidus)

Zmiany temperatury metalu (1) i stopów metali (2) w trakcie krystalizacji

Faza – część układu o makroskopowo jednakowych właściwościach 
termodynamicznych (skład, budowa, właściwości), oddzielona od pozostałej części 
powierzchnią rozdziału – granicą  faz

Segregacja dendrytyczna - zróżnicowanie składu chemicznego w 
obrębie dendrytu lub ziarna fazy stałej, będące wynikiem krystalizacji w 
zakresie temperatur likwidus – solidus

Różne zabarwienie odpowiada różnemu stężeniu składników stopu  
- segregacja dendrytyczna

Segregacja w skali makroskopowej - zróżnicowanie składu 
chemicznego w objętości odlanego elementu, będące wynikiem 
stopniowego krzepnięcia elementu oraz obecności cząstek 
niemetalicznych (siarczki, tlenki)

Struktura pierwotna – struktura utworzona podczas krystalizacji. 
Charakter struktury zależy głównie od:
• szybkości chłodzenia
• obecności obcych wtrąceń, będących zarodkami krystalizacji

Struktura pierwotna wlewka. Ziarna metalu o różnym kształcie i 

wielkości: 1- kryształy zamrożone, 2 – kryształy słupkowe, 3 –

kryształy wolne (równoosiowe)

Struktura pierwotna wlewka stali: a) uspokojonej, b)  półuspokojonej, 

c) nieuspokojonej

Porowatość powstała podczas krystalizacji – np. w wyniku wydzielania 

się ze ciekłej stali  dwutlenku węgla : FeO + C = CO

2

↑+ Fe, czemu 

można zapobiec dodając odtleniacze.

a) Stal uspokojona – odtleniona dostateczną ilością Si, Mn, Al 

b) Stal półuspokojona – częściowo odtleniona

c) Stal nieuspokojona – odtleniona w niewielkim stopniu Mn

Jama usadowa