Процесс кристаллизации металла
Контрольная работа - Разное
Другие контрольные работы по предмету Разное
Процесс кристаллизации металла
1. Параметры процесса кристаллизации, и их влияние на величину
зерна кристаллизующегося металла
Любое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях - газообразном, жидком и твердом. Изменение агрегатного состояния происходит при определенных температурах. Температура перехода зависит от давления, но при постоянном давлении они вполне определенны. Переход металла из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллической структуры называется первичной кристаллизацией. Плавление - процесс, обратный кристаллизации.
В природе все самопроизвольно протекающие превращения (кристаллизация и плавление) обусловлены тем, что новые состояния в новых условиях являются энергетически более устойчивыми, обладают меньшим запасом энергии.
Энергетическое состояние системы, имеющее огромное число охваченных тепловым движением частиц (атомов, молекул), характеризуется особой термодинамической функцией F, называемой свободной энергией. В условиях постоянного давления:
= U-TS,1
где - U - внутренняя энергия системы (вещества) - полная энергия, равная сумме кинетической и потенциальной энергии частиц, составляющих данную систему;
Т -
Чем больше свободной энергии системы, тем система менее устойчива. С изменением внешних условий свободная энергия системы изменяется по сложному закону, но различно для жидкого и кристаллического состояний. Схематический характер изменения свободной энергии жидкого и твердого состояний в зависимости от температуры показан на рис. 1.
Рис.1. Изменение свободной энергии жидкого (1) и кристаллического (2) состояний в зависимости от температуры
Из графика видно, что при температуре Тs свободные энергии жидкого и твердого состояний равны, металл находится в равновесии. Тs - равновесная или теоретическая температура кристаллизации, при которой Fж = Fтв. Для начала кристаллизации необходимо уменьшение свободной энергии системы. Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации называется переохлаждением. Разница между равновесной Тs и реальной Тк температурой кристаллизации называется степенью переохлаждения ?Т. Степень переохлаждения зависит от природы металла, она увеличивается с повышением частоты металла и ростом скорости охлаждения. Процесс перехода металла из жидкого состояния в кристаллическое можно изобразить кривыми в координатах время-температура (рис. 2).
Рис. 2 Кривые охлаждения при кристаллизации
Охлаждение металла в жидком состоянии сопровождается плавным понижением температуры. При достижении температуры кристаллизации на кривой температура-время появляется горизонтальная площадка, так как отвод тепла компенсируется выделяющейся при кристаллизации скрытой теплотой кристаллизации. Жидкий металл обладает большей внутренней энергией, чем твердый, поэтому при кристаллизации выделяется теплота. По окончании кристаллизации, температура снова начинает снижаться и твердое кристаллическое вещество охлаждается. По мере развития процесса кристаллизации в нем участвует все большее и большее число кристаллов. Поэтому процесс вначале ускоряется, пока в какой-то момент взаимное столкновение растущих кристаллов не начинает заметно препятствовать их росту; рост кристаллов замедляется. Тем более, что и жидкости, в которой образуются новые кристаллы, становится все меньше.
В процессе кристаллизации, пока кристалл окружен жидкостью, он имеет правильную форму, но при столкновении и срастании кристаллов их правильная форма нарушается, внешняя форма оказывается в зависимости от условий соприкосновения растущих кристаллов. Кристаллы неправильной формы называются кристаллитами или зернами. Скорость процесса и окончательный размер кристаллов при затвердевании определяется соотношением между скоростью образования центров кристаллизации и скоростью роста кристаллов (рис. 3.).
Рис. 3. Изменение скорости образования зародышей Vз и скорости роста кристаллов Vр в зависимости от степени переохлаждения ?Т
При небольших степенях переохлаждения, когда зародыш критического размера велик, а скорость образования зародышей мала, при затвердевании образуется крупнокристаллическая структура. Чем больше степень переохлаждения, тем больше центров кристаллизации и меньше размер зерна. Чем мельче зерно, тем выше механические свойства сплава.
Небольшие степени переохлаждения достигаются при заливке жидкого металла в форму с низкой теплопроводностью (земляная, шамотовая) или в подогретую металлическую форму. Увеличение переохлаждения происходит при заливке жидкого металла в холодные металлические формы, а также при уменьшении толщины стенок отливок. Поскольку при этом скорость образования зародышей увеличивается более интенсивно, чем скорость их роста, получается более мелкий кристалл.
В реальных условиях процессы кристаллизации и характер образующейся структуры в значительной мере зависят от имеющихся центров кристаллизации. Такими центрами являются частицы тугоплавких неметаллических включений, оксидов, интерметаллических соединений, образуемых примесями. При кристаллизации атомы металла откладываются на активированные поверхности примеси как на готовом зародыше.
Наличие готовых центров кристал?/p>