Вопросы к коллоквиуму №1 по кристаллизации

1. Изобразите зависимость энергии Гиббса расплава от температуры.

2. Изобразите зависимость энергии Гиббса твердой фазы от температуры.

3. Изобразите зависимость энергии Гиббса расплава и твердой фазы от температуры.

4. Укажите на графике зависимости энергии Гиббса от температуры области существования жидкой фазы и твердой. Ответ поясните.

5. При какой температуре относительно температуры равновесия Т₀ (G_L=G_S) начинается процесс кристаллизации? Ответ обоснуйте.

6. При какой температуре относительно температуры равновесия Т₀ (G_L=G_S) начинается процесс плавления? Ответ обоснуйте.

7. Начнется ли процесс кристаллизации при температуре равновесия Т₀ (G_L=G_S)? Ответ обоснуйте.

8. Начнется ли процесс плавления при температуре равновесия Т₀ (G_L=G_S)? Ответ обоснуйте.

9. Что такое переохлаждение?

10. При образовании кристалла происходит изменение энергии Гиббса. Какие процессы определяют величину изменения энергии?

11. Увеличивается или уменьшается энергия Гиббса при образовании кристалла? Ответ обоснуй.

12. Чему равна высвободившаяся за счет перехода расплавкристалл энергия при образовании сферического зародыша кристалла радиуса r, если g_v  высвободившаяся при этом превращении энергия на единицу объема.

13. Чему равна высвободившаяся за счет перехода расплавкристалл энергия при образовании кубического зародыша кристалла c ребром а, если g_v  высвободившаяся при этом превращении энергия на единицу объема.

14. Что такое критический размер кристаллического зародыша?

15. Как определить изменение энергии Гиббса при формировании сферического зародыша кристалла критического размера?

16. Как определить изменение энергии Гиббса при формировании кубического зародыша кристалла критического размера?

17. Как меняется критический размер зародыша при уменьшении температуры?

18. Как меняется критический размер зародыша при увеличении температуры?

19. Зависит ли критический размер зародыша от температуры? Ответ обоснуй.

20. Как определить критический размер кристалла кубической формы?

21. Почему не происходит роста кристалла, размер которого меньше критического?

22. Чему равна энергия по образованию поверхности раздела между расплавом и сферическим зародышем кристалла радиуса r, если   энергия единицы площади.

23. Как определить критический размер кристалла сферической формы?

24. Почему возможен рост только кристалла, размер которого больше критического?

25. Чему равна энергия по образованию поверхности раздела между расплавом и кубическим зародышем кристалла с ребром а, если   энергия единицы площади.

26. Чему равна энергия по образованию поверхности раздела между расплавом и сферическим зародышем кристалла радиуса r, если   энергия единицы площади.

27. Определите величину изменения энергии Гиббса при образовании кристаллического зародыша критического размера при температуре равновесия Т₀ (G_L=G_S)? Поясните этот результат.

28. Приведите зависимость вероятности появления зародыша кристаллизации критического размера от температуры. Зависимость поясните.

29. Что такое гомогенное зарождение кристаллов?

30. Какой механизм зарождения кристаллов  гомогенный или гетерогенный  энергетически более выгоден?

31. Определите критический размер кристалла при температуре равновесия Т₀ (G_L=G_S)? Поясните этот результат.

32. Приведите зависимость вероятности присоединения атомов кристаллом от температуры. Зависимость поясните.

33. Приведите зависимость скорости зарождения центров кристаллизации от температуры. Поясните немонотонный характер этой зависимости.

34. Что такое гетерогенное зарождение кристаллов?

Структура отливок зависит от параметров процесса кристаллизации жидкого металла в литейной форме. Гетерогенное зарождение центров кристаллизации и большая скорость охлаждения жидкого металла в форме обусловливают неравновесный характер кристаллизации отливок и получение метастабильной (квазикристаллической) и мелкокристаллической структуры. Формирование поверхностного слоя отливок в условиях реальной литейной формы происходит под влиянием следующих факторов и закономерностей:

Конденсационный метод.теоретическом плане изучен в наибольшей степени. Различают гомогенное и гетерогенное зарождение зародышей (кластеров). В первом случае зародыш возникает флуктуационно и изменение свобо

В процессе роста покрытий в их состав входят примесные компоненты, которые являются центрами стоков вакансий и вакансионных комплексов. В результате происходит гетерогенное зарождение пор, являющееся доминирующим в реальных покрытиях. Центрами гетерогенного зарождения пор могут быть не только примесные частицы, но и поры, микротрещины, дислокации. Поры и микротрещины являются наиболее мощными стоками для вакансий; за ними в порядке уменьшения соответствующей поверхностной энергии следуют межзеренные границы, малоугловые границы и границы между двойниками.

Для образования равноосной микроструктуры при быстром затвердевании должны выполняться два условия : низкая скорость роста эпитаксиальных кристаллов, позволяющая получить переохлажденный расплав, и наличие достаточного количества центров зарождения в расплаве, обеспечивающее гетерогенное зарождение равноосных зерен. Эти условия были реализовны при лазерном плавлении специально приготовленных сплавов.

В классической теории зародышеобразования обычно рассматривается гомогенное образование стабильного зародыша новой фазы, осуществляющееся в результате возникновения серии благоприятных энергетических флуктуации. Однако в, большинстве случаев, как уже отмечалось, в твердой фазе имеет место гетерогенное зарождение, сопровождающееся меньшей работой образования зародыша. Если такие зародыши могут образовываться из существующих дефектов без термической активации, можно говорить о том, что образование зародыша в классическом смысле вообще не требуется.

В классической теории зародышеобразования обычно рассматривается гомогенное образование стабильного зародыша новой фазы, осуществляющееся в результате возникновения серии благоприятных энергетических флуктуации. Однако в, большинстве случаев, как уже отмечалось, в твердой фазе имеет место гетерогенное зарождение, сопровождающееся меньшей работой образования зародыша. Если такие зародыши могут образовываться из существующих дефектов без термической активации, можно говорить о том, что образование зародыша в классическом смысле вообще не требуется.

Распад твердого раствора или полиморфное превращение протекает с образованием фаз, имеющих состав, отличный от исходной матричной фазы, поэтому для гомогенного возникновения зародыша новой фазы критического размера необходимо наличие флуктуации концентрации. Чаще зародыши образуются в дефектных местах кристаллической решетки, на границах зерен, в местах скопления дислокаций, на включениях примесей и т. д. (гетерогенное зарождение). Это объясняется уменьшением работы образования зародышей {по сравнению с гомогенным зарождением), ускорением диффузионных процессов и тем самым облегчением получения концентрационных флуктуации, необходимых для зарождения новой фазы. Рост зародышей новой фазы происходит неупорядоченным переходом атомов через границу раздела из исходной фазы во вновь образуемую.

Превращения при распаде твердого раствора протекают с образованием фаз, имеющих состав, отличный от исходной матричной фазы. Поэтому для гомогенного возникновения зародыша повой фазы критического размера необходимо наличие флуктуации энергии и концентрации. Чем больше степень переохлаждения, тем меньше критический размер зародыша и требуемые для его образования флуктуации энергии и концентрации. Чаще зародыши образуются в дефектных местах кристаллической решетки, на границах зерен, в местах скопления дислокаций, на включениях примесей и т. д. (гетерогенное зарождение). Это объясняется уменьшением работы образования критического зародыша (по сравнению с гомогенным зарождением) и его размеров.

Превращения при распаде 'твердого раствора протекают с образованием фаз, имеющих состав, отличный от исходной матричной фазы. Поэтому для гомогенного возникновения зародыша новой фазы критического размера необходимо наличие флуктуации энергии и концентрации. Чем больше степень переохлаждения, тем меньше критический размер зародыша и требуемые для его образования флуктуации энергии и концентрации. Чаще зародыши образуются в дефектных местах кристаллической решетки, на границах зерен, в местах скопления дислокаций, на включениях примесей и т. д. (гетерогенное зарождение). Это объясняется уменьшением работы образования критического зародыша (по сравнению с гомогенным зарождением) и его размеров.

Превращения при распаде твердого раствора протекают с образованием фаз, имеющих состав, отличный от исходной матричной фазы. Поэтому для гомогенного возникновения зародыша новой фазы критического размера необходимо наличие флуктуации энергии-и концентрации. Чем больше степень переохлаждения, тем меньше критический размер зародыша и требуемые для его образования флуктуации энергии и концентрации. Чаще зародыши образуются; в дефектных местах кристаллической решетки, на границах зерен,, в местах скопления дислокаций, на включениях примесей и т. д. (гетерогенное зарождение). Это объясняется уменьшением работы образования критического зародыша (по -сравнению', с. гомогенным зарождением) и его размеров.

Выполненный анализ в значительной степени является формальным, поскольку величина п зависит от многих факторов и не может однозначно определять характер зарождения новой фазы в матрице. В реальном случае а -гу-превряш&шя одновременно оказываются активными различные типы мест зарождения. Определенные описанным выше способом значения п указывают на тот преимущественный вклад, который вносят разные места зародышеобразования в развитие а -> ^-превращения в сталях, находящихся в различных энергетических состояниях. Как следует из изложенного, для всех структур реализуется гетерогенное зарождение участков 7-фазы преимущественно на границах зерен и в дефектных местах матрицы. После исчерпания этих мест наблюдается только процесс роста, практически не сопровождающийся возникновением новых эмбрионов. В деформированных же объектах искажения настолько значительны, что приводят к реализации "бесцентрового" процесса превращения.

35. Чем отличаются гомогенный и гетерогенный механизм зарождения кристаллов?

Интенсивность зарождения кристаллов характеризуют скоростью их зарождения, под которой понимают количество центров кристаллизации ( зародышей), возникающих в единице объема за единицу времени. Различают гомогенное и гетерогенное зарождение. Гомогенное зарождение происходит при отсутствии в расплаве ( растворе) посторонних твердых примесей ( частиц), на которых могли бы образоваться кристаллы. Гетерогенное зарождение происходит на твердых поверхностях, а также на взвешенных в расплаве мельчайших инородных частицах.

Механизм зарождения кристаллов в переохлажденных гомогенных расплавах исследован недостаточно полно. Согласно этой теории, вблизи точки плавления в расплаве возникают местные и временные флуктуации, которые представляют собой скопления с ориентированным расположением молекул - наподобие кристаллической решетки. Состояние этих скоплений неустойчивое: наряду с образованием наблюдается и распад их. Объединение возникших структурных образований может явиться зародышем, из которого в последующем вырастает кристалл.

36. Сравните энергию поверхности раздела при гомогенном и гетерогенном зарождении кристаллов.

37. Какой механизм зарождения кристаллов  гомогенный или гетерогенный  чаще реализуется?

38. Опишите нормальный механизм роста кристаллов.

Рост кристалла может быть послойным и нормальным в зависимости от того, является ли его поверхность в атомном масштабе гладкой или шероховатой. Атомные плоскости, образующие гладкую грань, почти полностью укомплектованы и содержат сравнительно небольшое число вакансий и атомов, адсорбированных в местах, соответствующих узлам кристаллич. решётки следующего слоя. Края незавершённых атомных плоскостей образуют ступени (рис. 6, в). В результате тепловых флуктуации ступень содержит нек-рое число трёхмерных входящих углов - изломов. Присоединение новой частицы к излому не изменяет энергии поверхности и поэтому является элементарным актом роста кристалла. С увеличением отношения тепловой энергии kT к поверхностной энергии (в расчёте на 1 атомное место на поверхности) плотность изломов увеличивается. Соответственно увеличивается конфигурац. энтропия и падает свободная линейная энергия ступени. При определ. отношениях (близких к 1, но несколько различных для разных граней) линейная энергия ступени обращается в 0, и ступень "размазывается" по грани, к-рая превращается в шероховатую, т. е. равномерно и плотно покрытую изломами поверхность (рис. 6, б). Связь поверхностной энергии с теплотой К. позволяет заключить, что для веществ и темп-р, для к-рых изменение энтропии при К. таково, что S/k>4, все плотноупакованные грани - гладкие. Эта ситуация характерна для равновесия кристалл - пар, а также (для нек-рых веществ) для границы кристалл -расплав. Переход от шероховатости к огранению возможен при изменении концентрации в двухкомпонентных системах (К. из растворов). Если S/k<2 (типично для плавления металлов), то поверхности любой ориентации шероховаты. При отдельные гладкие грани сосуществуют с шероховатыми поверхностями (напр., кристаллы Ge и Si в расплавах, гранаты в расплавах и высокотемпературных растворах). Зависимость свободной энергии и скорости К. от ориентации поверхности имеет острые (сингулярные) минимумы для гладких (сингулярных) граней и округлённые (несингулярные) для шероховатых поверхностей.