Если в жидкой фазе присутствуют посторонние примеси в виде твёрдых частиц, то кристаллизация часто начинается на них, как на готовых подложках.
Роль таких частиц могут играть стенки изложниц, неметаллические включения, окислы и т.д. Посторонние частицы активны в том случае, если работа образования зародышей на них меньше, чем работа самопроизвольного образования зародыша. Это имеет место в случае, когда поверхностное натяжение на границе раздела зародыш – посторонняя частица меньше, чем на границе раздела зародыш – жидкая фаза. Межфазная энергия характеризуется углом смачивания капельки маточной фазы на чужеродной подкладке. Поэтому образование зародышей в значительной степени определяется межатомными силами взаимодействия между частицами внутри маточной фазы и подложки. Если силы между частицами зародышевой фазы и подложки больше чем межатомные силы внутри маточной фазы, тогда гетерогенное образование зародышей имеет энергетическое преимущество перед гомогенным, так благодаря этому достигается уменьшение свободной энергии.
Гетерогенное образование зародышей наступает если:
ΔGгом ˂ ΔGгет
Итак, пусть имеется подложка «П» в расплаве «Ж» и формируется зародыш «К» на подложке с краевым углом смачивания «И» (рис.1)
Для состояния равновесия на основании отношения Юнга можно записать:
σп-ж = σк-п + σп-жcosϴ
Из вышеприведенной формулы видно, что поверхностная энергия на границе раздела подложка – жидкость тем меньше, чем меньше угол смачивания ϴ. При ϴ = 0.
Sin ϴ = 0 и второе слагаемое обращается в нуль и, если sin ϴ = 1, то в этом случае поверхностная энергия велика и зародыш зарождается тяжело.
Величина поверхностного натяжения зависит от:
- Близость строения и размеров кристаллических решеток зародышей кристаллизации и посторонних частиц;
- Химические свойства посторонних частиц.
- Топографии посторонних частиц.
Развитие несамопроизвольной кристаллизации зависит от:
- Температуры нагрева жидкой фазы: перегрев жидкой фазы переводит частицы в раствор (дезактивирует их) и несамопроизвольная кристаллизация ослабляется.
Искусственное введение посторонних активных твердых частиц в жидкую фазу интенсифицирует несамопроизвольную кристаллизацию, приводит к измельчению зерна и является одним из способов модифицирования металлов и сплавов.
