בפרק על דיאגרמות הפאזות עקבנו אחר אילו פאזות נוצרות בקירור. כעת נשאל כיצד בפועל נולד המבנה הגבישי מן הנוזל — תהליך ההתמצקות. הבנתו חיונית, שכן רוב המוצרים המתכתיים מתחילים את חייהם כיציקה, והמבנה שנוצר ברגעי ההתמצקות קובע במידה רבה את תכונות המוצר הסופי.
נוקלאציה
ההתמצקות אינה מתרחשת בכל הנוזל בבת אחת. היא מתחילה בנקודות בודדות, שבהן נוצרים גרעיני התמצקות זעירים — אשכולות אטומים ראשונים המסתדרים במבנה גבישי. תהליך לידתם נקרא נוקלאציה / גרעון (nucleation).
יש כאן מאבק אנרגטי: יצירת גרעין מוצק מנמיכה את האנרגיה (המוצק יציב יותר מתחת לטמפרטורת ההיתוך), אך יצירת שטח פנים חדש בין הגרעין לנוזל מעלה את האנרגיה. גרעין קטן מדי “לא משתלם” ומתמוסס בחזרה; רק גרעין שחצה גודל קריטי מסוים יציב וימשיך לגדול. מכאן נובע הצורך בתת-קירור (undercooling) — הנוזל חייב להתקרר מעט מתחת לטמפרטורת ההיתוך התאורטית כדי שהנוקלאציה תתחיל.
נבחין בשני סוגים:
נוקלאציה הומוגנית (homogeneous) — גרעינים נוצרים באקראי בתוך הנוזל הטהור עצמו, ללא כל “עזרה”. מצב זה דורש תת-קירור גדול מאוד (לעיתים מאות מעלות), ולכן הוא נדיר במציאות ומופיע בעיקר בתנאי מעבדה עם נוזלים טהורים במיוחד.
נוקלאציה הטרוגנית (heterogeneous) — גרעינים נוצרים על משטח קיים: דופן התבנית, חלקיק זיהום, או חומר גרעון שהוכנס בכוונה. המשטח “מספק” חלק מן האנרגיה הדרושה, ולכן נדרש תת-קירור קטן בהרבה. זהו המצב הרווח כמעט תמיד ביציקה אמיתית. בתעשייה אף מוסיפים בכוונה חומרי גרעון (inoculants) כדי לעודד נוקלאציה רבה ולקבל גרגרים קטנים (ולפי הול–פץ’ — חומר חזק יותר).
גידול גבישים
לאחר שנוצר גרעין יציב, מתחיל שלב הגידול (growth): אטומים נוספים מן הנוזל נצמדים אל הגרעין, והגביש גדל. הנוקלאציה והגידול מתחרים ביניהם וקובעים יחד את גודל הגרגרים הסופי:
- קירור מהיר → נוקלאציה רבה (הרבה גרעינים) + גידול מועט → גרגרים רבים וקטנים.
- קירור איטי → נוקלאציה מעטה + גידול ממושך → גרגרים מעטים וגדולים.
הגרגרים גדלים עד שהם פוגשים זה את זה, ובמקום המפגש נוצר גבול גרעין. כך, המבנה הרב-גבישי שדיברנו עליו בפרקים קודמים נולד, פיזית, ברגעי ההתמצקות הללו.
רווית-על (supersaturation)
מושג קרוב הקשור לנוקלאציה הוא על-רוויה. ראינו שתמיסה רוויה מכילה את הכמות המרבית של מומס. אך לעיתים ניתן להגיע למצב על-רווי, שבו התמיסה מכילה יותר מומס מן הריכוז הרווי — מצב מטא-יציב ולא יציב.
כיצד? למשל, על ידי קירור איטי וזהיר של תמיסה רוויה חמה: המסיסות יורדת, אך אם אין נקודות נוקלאציה, המומס העודף “נתקע” בתמיסה במקום לשקוע. מצב כזה שביר — די בהפרעה קטנה (גרגר אבק, גביש זרע, ניעור) כדי שהמומס העודף ישקע או יתגבש בבת אחת. עיקרון זה עומד בבסיס חיזוק בפליטה (שראינו בפרק הקודם): הקירור המהיר יוצר תמיסה מוצקה על-רוויה, וממנה נוצרים המשקעים הזעירים בשלב ההזדקנות.
מבנה גרעיני ביציקה
כאשר מתכת מותכת נוצקת לתבנית קרה, נוצר מבנה גרגרים אופייני בעל שלושה אזורים — תוצאה ישירה של שדה הטמפרטורות בתבנית:
אזור הקירור (chilled zone) — שכבה דקה של גרגרים זעירים ואקראיים, ממש בצמוד לדופן התבנית הקרה. כאן הקירור מהיר ביותר (מגע עם הדופן), ולכן הנוקלאציה אינטנסיבית והגרגרים זעירים.
גרעיני עמודות (columnar grains) — מעט פנימה, הגרגרים גדלים בצורה מוארכת, ניצבים לדופן — בכיוון שבו החום נשאב החוצה אל הדופן. הם נראים כעמודות ארוכות הצומחות פנימה מן ההיקף אל המרכז.
אזור אחרון-לקפוא (last-to-freeze region) — מרכז היציקה, המתקרר אחרון. כאן הקירור איטי, הגרגרים גדולים יותר, ובאזור זה מתרכזים גם רוב פגמי היציקה (כפי שנראה מיד).
מבנה דנדריטי
לעיתים קרובות הגידול אינו חלק אלא מסועף, ויוצר מבנה דמוי-עץ הנקרא דנדריט (dendrite) (מיוונית: דנדרון — עציץ, שיח). זה קורה משום שבליטה זעירה בחזית ההתמצקות בולטת אל תוך הנוזל התת-מקורר וגדלה מהר יותר מסביבתה, ומשם מסתעפים “ענפים” משניים, וכך הלאה — נוצר שלד מסועף.
הדנדריטים הם גם מקור חשוב להתבדלות (segregation): כפי שראינו בקירור לא בשיווי-משקל, שלד הדנדריט (שקפא ראשון) עשיר ברכיב בעל נקודת ההיתוך הגבוהה, ואילו הנוזל הנותר בין הענפים (שקפא אחרון) עשיר ברכיב האחר. כך נוצר אי-אחידות כימית בקנה מידה מיקרוסקופי.
פגמי יציקה
המבנה שנוצר בהתמצקות נושא עמו פגמים אופייניים, שמהנדס היציקה שואף למזער:
כיווץ (shrinkage) — רוב המתכות מתכווצות במעבר מנוזל למוצק (האטומים נארזים צפוף יותר). אם הנוזל אינו “מוזן” כראוי, נוצר חלל כיווץ (חלל מרכזי או מפוזר) — בדרך כלל באזור האחרון-לקפוא. מתכננים מערכות הזנה (risers) כדי לפצות על הכיווץ.
נקבוביות גז (gas porosity) — גזים מומסים בנוזל (כגון מימן במתכת מותכת) משתחררים בעת ההתמצקות, שכן מסיסותם במוצק נמוכה מבנוזל. אם אינם מספיקים להימלט, הם נלכדים כבועות — נקבוביות שמחלישות את היציקה.
הפרדה (segregation) — אי-אחידות כימית, כפי שתואר לעיל: הן ברמת הדנדריט (מיקרו-הפרדה), הן בקנה מידה של היציקה כולה (מאקרו-הפרדה, כאשר אזורים שלמים נעשים עשירים או דלים ברכיב מסוים). הפרדה פוגעת באחידות התכונות, ולעיתים מתקנים אותה בטיפול הומוגניזציה.
וכך נסגר הפרק: התהליכים שראינו ברמת הדיאגרמה והדיפוזיה מקבלים כאן את ביטויָם הפיזי הממשי — במבנה שנולד מתוך המתכת הנוזלת.
