Кристаллизация металлов
Всякое вещество может находится как минимум в трех агрегатных состояниях.
Переход металла из жидкого или газообразного состояния в твердое с кристаллической структурой называется кристаллизацией.
Процесс кристаллизации происходит при определенных условиях:
- температура
- давление
Рассмотрим термодинамические условия кристаллизации.
Энергетическое состояние любой системы характеризуется запасом внутренней энергии, которая складывается из энергии движения элементарных частиц, внутри ядерной энергии, энергии упругих искажений кристаллической решетки и других видов энергии.
Свободной энергией является та часть внутренней энергии, которая в изотермических условиях может быть превращена в работу.
Согласно второму закону термодинамики любая система стремится к минимально свободной энергии.
Самопроизвольная кристаллизация так же обусловлена стремлением металла, как системы, к минимуму свободной энергии.
С повышением температуры свободная энергия (энергия Гиббса) (G) твердой и жидкой фазы понимаются с разной скоростью.
Температура, при которой энергия Гиббса жидкой и твердой фаз равны, называется равновесной температурой кристаллизации.
Gж(Т0)= Gтв(Т0)
При равновесной температуре кристаллизации, но процесс кристаллизации не идет, т.к. отсутствует термодинамический стимул кристаллизации (стремление системы к понижению энергии).
Для того чтобы началась кристаллизация, необходимо обеспечить разницу энергий Гиббса жидкой и твердой фазы.
Температура при которой происходит кристаллизация – действительная или фактическая температура кристаллизации.
ΔТ=Т0 –Т
Разница между равновесной и фактической температурой кристаллизации называется степень переохлаждения. Поскольку энергия Гиббса твердой фазы при любой температуре ниже Т0 меньше энергии Гиббса жидкости кристаллизация будет проходить при любой температуре ниже Т0.
Жидкий металл обладает большей внутренней энергией, чем твердый, поэтому при кристаллизации выделяется тепло. Когда кристаллизуется чистый металл отвод теплоты вследствие охлаждения плотностью компенсируется теплотой кристаллизации, поэтому на кривой охлаждения координатах температуры, времени процесса кристаллизации соответствует горизонтальный участок.
Степень переохлаждения зависит от скорости охлаждения ΔТ1< ΔТ2< ΔТ3
Процесс кристаллизации состоит из 2-х параллельно протекающих процессов:
зарождение кристалла
рост кристалла
В.№7 Кристаллизация металлов как совокупность процессов зарождения и роста центров кристаллизации. Понятие центра кристаллизации и критического размера зародыша. Изменение свободной энергии системы в зависимости от размера зародыша. Влияние степени переохлаждения на скорость зарождения центров кристаллизации и линейную скорость роста зародышей.
Кристаллизация металлов
Всякое вещество может находится как минимум в трех агрегатных состояниях.
Переход металла из жидкого или газообразного состояния в твердое с кристаллической структурой называется кристаллизацией.
Процесс кристаллизации происходит при определенных условиях:
- температура
- давление
Рассмотрим термодинамические условия кристаллизации.
Энергетическое состояние любой системы характеризуется запасом внутренней энергии, которая складывается из энергии движения элементарных частиц, внутри ядерной энергии, энергии упругих искажений кристаллической решетки и других видов энергии.
Свободной энергией является та часть внутренней энергии, которая в изотермических условиях может быть превращена в работу.
Согласно второму закону термодинамики любая система стремится к минимально свободной энергии.
Самопроизвольная кристаллизация так же обусловлена стремлением металла, как системы, к минимуму свободной энергии.
С повышением температуры свободная энергия (энергия Гиббса) (G) твердой и жидкой фазы понимаются с разной скоростью.
Температура, при которой энергия Гиббса жидкой и твердой фаз равны, называется равновесной температурой кристаллизации.
Gж(Т0)= Gтв(Т0)
При равновесной температуре кристаллизации, но процесс кристаллизации не идет, т.к. отсутствует термодинамический стимул кристаллизации (стремление системы к понижению энергии).
Для того чтобы началась кристаллизация, необходимо обеспечить разницу энергий Гиббса жидкой и твердой фазы.
Температура при которой происходит кристаллизация – действительная или фактическая температура кристаллизации.
ΔТ=Т0 –Т
Разница между равновесной и фактической температурой кристаллизации называется степень переохлаждения. Поскольку энергия Гиббса твердой фазы при любой температуре ниже Т0 меньше энергии Гиббса жидкости кристаллизация будет проходить при любой температуре ниже Т0.
Жидкий металл обладает большей внутренней энергией, чем твердый, поэтому при кристаллизации выделяется тепло. Когда кристаллизуется чистый металл отвод теплоты вследствие охлаждения плотностью компенсируется теплотой кристаллизации, поэтому на кривой охлаждения координатах температуры, времени процесса кристаллизации соответствует горизонтальный участок.
Степень переохлаждения зависит от скорости охлаждения ΔТ1< ΔТ2< ΔТ3
Процесс кристаллизации состоит из 2-х параллельно протекающих процессов:
зарождение кристалла
рост кристалла
В.№8 Кристаллизация металлов. Строение слитка при нормальном охлаждении. Влияние скорости охлаждения на размер зерен при кристаллизации. Самопроизвольное (гомогенное) и несамопроизвольное (гетерогенное) зарождение центров кристаллизации. Понятие о модифицировании.
Кристаллизация металлов
Всякое вещество может находится как минимум в трех агрегатных состояниях.
Переход металла из жидкого или газообразного состояния в твердое с кристаллической структурой называется кристаллизацией.
Процесс кристаллизации происходит при определенных условиях:
- температура
- давление
Рассмотрим термодинамические условия кристаллизации.
Энергетическое состояние любой системы характеризуется запасом внутренней энергии, которая складывается из энергии движения элементарных частиц, внутри ядерной энергии, энергии упругих искажений кристаллической решетки и других видов энергии.
Свободной энергией является та часть внутренней энергии, которая в изотермических условиях может быть превращена в работу.
Согласно второму закону термодинамики любая система стремится к минимально свободной энергии.
Самопроизвольная кристаллизация так же обусловлена стремлением металла, как системы, к минимуму свободной энергии.
С повышением температуры свободная энергия (энергия Гиббса) (G) твердой и жидкой фазы понимаются с разной скоростью.
Температура, при которой энергия Гиббса жидкой и твердой фаз равны, называется равновесной температурой кристаллизации.
Gж(Т0)= Gтв(Т0)
При равновесной температуре кристаллизации, но процесс кристаллизации не идет, т.к. отсутствует термодинамический стимул кристаллизации (стремление системы к понижению энергии).
Для того чтобы началась кристаллизация, необходимо обеспечить разницу энергий Гиббса жидкой и твердой фазы.
Температура при которой происходит кристаллизация – действительная или фактическая температура кристаллизации.
ΔТ=Т0 –Т
Разница между равновесной и фактической температурой кристаллизации называется степень переохлаждения. Поскольку энергия Гиббса твердой фазы при любой температуре ниже Т0 меньше энергии Гиббса жидкости кристаллизация будет проходить при любой температуре ниже Т0.
Жидкий металл обладает большей внутренней энергией, чем твердый, поэтому при кристаллизации выделяется тепло. Когда кристаллизуется чистый металл отвод теплоты вследствие охлаждения плотностью компенсируется теплотой кристаллизации, поэтому на кривой охлаждения координатах температуры, времени процесса кристаллизации соответствует горизонтальный участок.
Степень переохлаждения зависит от скорости охлаждения ΔТ1< ΔТ2< ΔТ3
Процесс кристаллизации состоит из 2-х параллельно протекающих процессов:
зарождение кристалла
рост кристалла
При переохлаждении жидкости группы атомов, в которых сформировалось правильное расположение атомов (флуктуации), эти группы атомов являются центрами (зародышами) кристаллизации. Эти зародыши начинают расти.
Предположим, что зародыш имеет форму куба с ребром r, тогда изменение энергии заменяется в виде:
С увеличением степени переохлаждения, величина удельной поверхностной энергии изменяется мало, а разница термодинамических потенциалов ΔG растет, поэтому с увеличением степени переохлаждения кристаллический размер зародыша быстро снижается и возникает больше зародышей способных к росту. Зародыши размером больше критических устойчивее и способны к росту, т.к. их рост приводит к снижению энергии системы.
Зародыши размером меньше критического не способны к росту, поскольку их рост привел бы к увеличению энергии.
Скорость процесса кристаллизации и окончательный размер зерен определяется двумя кинематическими параметрами процесса:
скорость зарождения центров кристаллизации – это число центров образовавшихся в единицу времени в единице объема.
линейная скорость роста центров кристаллизации – скорость увеличения линейного размера кристалла в единицу времени.
Кинематические параметры изменяются с увеличением степени переохлаждения не монотонно. В реальных условиях для металлов реализуются только левые восходящие ветви.
При небольшой степени переохлаждения ΔТ1, скорость зарождения центров кристаллизации мала, а скорость их роста достаточно велика.
При больших степенях переохлаждения ΔТ1, скорость зарождения увеличивается в разы, а линейная скорость роста замедляется. В этом случае образуется мелкозернистая структура.
Центрами кристаллизации могут быть флуктуации атомов основного металла. В этом случае кристаллизация называется самопроизвольной – гомогенной.
Центры кристаллизации могут также появляться на поверхности твердых инородных включений в этом случае кристаллизация называется не самопроизвольной или гетерогенной.
Гетерогенная кристаллизация более предпочтительна, т.к. происходит при меньших затратах энергии (необходимо образование поверхности меньшей площади).
Это явление используют при литье специально добавляя в расплав элементы модификаторы. Сам процесс называется модифированием. Это приводит к образованию больших центров кристаллизации и следовательно получению более однородной мелкозернистой структуры.
В№9 Полиморфные превращения в металлах и сплавах. Металлы, обладающие полиморфизмом. Термодинамические условия полиморфного превращения. Гомогенное и гетерогенное зарождение новой фазы.