Закономерность изменения числа фаз в гетерогенных системах
Контрольная работа - Физика
Другие контрольные работы по предмету Физика
Введение
Фазой называется однородная обособленная часть системы (металлa или сплава), имеющая одинаковый состав, строение и свойства, отделенная от других частей системы поверхностью раздела. В зависимости от физико-химических взаимодействий между атомами компонентов в сплавах образуются твердые растворы или промежуточные соединения. Знание правил фаз позволит оказывать направленное воздействие на процесс образования конечного продукта по заранее определенным параметрам и свойствам. Поэтому тема контрольной работы актуальна и практически значима.
Объект исследования: гетерогенные системы. Предмет - закономерность изменения числа фаз в гетерогенных системах. Правила фаз. Цель написания работы: выявить значение изменения числа фаз при превращении материалов из жидкого состояния в твердое и наоборот.
Для достижения цели решались следующие задачи: анализировались реакции кристаллизации, как основного фазового превращения; выявлялись пути возникновения в исходной фазе небольших объемов новой фазы, называемых зародышами или центрами, и последующего их роста; выявлялись проблемы, возникающие вследствие увеличения числа и размеров растущих кристаллов, приводящее к их столкновению и нарушению правильной формы многогранников.
При работе над темой использовались методы: наблюдение, сравнение, обобщение.
Работа базировалась на трудах: А.М. Захарова и Б.Н. Арзамасова.
Таким образом, удалось выяснить, что процесс кристаллизации материала происходит по правилам фаз и зависит от скорости затвердевания массы.
Закономерность изменения числа фаз в гетерогенной системе. Правила фаз
Кристаллизация, т.е. процесс перехода металла из жидкого состояния в твердое, является основным фазовым превращением, происходящим во всех металлах, так как при этом формируется кристаллическая структура, характерная для истинно твердого тела. Установлено, что любое фазовое превращение протекает путем возникновения в исходной фазе небольших объемов новой фазы, называемых зародышами или центрами, и последующего их роста. Чем больше возникает таких центров, и чем больше скорость их роста, тем быстрее протекает фазовое превращение.
В условиях кристаллизации эти центры могут возникать в тех объемах жидкой фазы, в пределах которых в данный момент времени расположение атомов было близким или аналогичным их расположению в решетке кристалла, и где флуктуация энергии достаточна для преодоления энергетического барьера зарождения, являющегося следствием возникновения межфазной поверхности раздела жидкий сплав - кристалл.
Процесс кристаллизации сопровождается выделением определенного количества теплоты (теплоты кристаллизации) и поэтому при охлаждении металла зависимость изменения температуры от времени охлаждения не изображается непрерывной кривой. Вид этих кривых определяется соотношением между количеством выделяющейся в процессе кристаллизации теплоты и скоростью отвода теплоты от металла при охлаждении Qохл..
Кристаллизация развивается путем образования зародышевых центров и их последующего роста. Кристалл, выросший из одного зародыша, имеет одинаковую кристаллографическую ориентировку и называется кристаллитом, или зерном.
Чем больше скорость образования центров кристаллизации и меньше скорость их роста, тем меньше будут размеры кристаллов и, соответственно, больше их количество в данном закристаллизовавшемся объеме.
Кристаллы, образующиеся при затвердевании, могут приобретать различную форму в зависимости от условий их роста. Они могут быть многогранниками, дендритами, игольчатыми, пластинчатыми и т.д. В многогранниках, которые образуются при малых степенях переохлаждения, и в условиях всестороннего питания жидким металлом обычно более развитыми являются грани, характеризующиеся простыми индексами, так как по этим граням выше плотность упаковки атомов, и поэтому их поверхностная свободная энергия минимальна.
По мере увеличения числа и размеров растущих кристаллов неизбежно их столкновение, которое приводит к нарушению правильной формы многогранников. Размер тех или иных граней данного многогранника тем больше, чем меньше скорость их роста. Рост граней с простыми индексами происходит послойно, так что незавершенные слои движутся по поверхности грани. При росте многогранников из расплава их пресыщение у вершин и ребер оказывается выше, чем у других элементов поверхности кристаллов, и в результате вершины (или ребра) являются ведущими источниками появления слоев роста.
Поэтому в своем росте они обгоняют центральные участки плоских граней. При этом объемы жидкой фазы, где достигнута подобная флуктуация энергии, должны быть близки к размерам кристаллического зародыша критического размера. Образованию центров кристаллизации способствует присутствие в жидком металле посторонних (примесных) твердых частиц, находящихся там случайно, а иногда намеренно введенных, так как в этом случае для образования таких центров достаточно уже значительно меньших флуктуации энергии.
Первый путь образования центров кристаллизации называется самопроизвольным (или гомогенным), второй - не самопроизвольным (гетерогенным). Гетерогенный - разнородный по своему составу или происхождению. Соответственно кристаллизация может быть самопроизвольной или не самопроизвольной. Однако независимо от механизма возникновения центров дальнейший их рост подчиняет