Теория сплавов

1. Кристаллизация металлов

В жидком металле(МL) при высоких t₀ атомы находиться в беспорядочном движении. Правильное кристаллическое строение МL приобретают в процессе затвердения, т.е. при переходе из жидкого состояния в твердое.

Процесс образования кристаллов при переходе вещества из жидкого состояния в твердое называется ПЕРВИЧНОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИЕЙ.

Процесс изменения кристаллического строения вещества в твердом состоянии называется ВТОРИЧНОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИЕЙ.

Как всякий спонтанный процесс, кристаллизация протекает при термодинамических условиях, обеспечивающих снижение свободной энергии Гиббса системы F:

F = U – TS,

где U – внутренняя энергия, T – температура, S – энтропия.

Свободная энергия F 

С повышением температуры свободная энергия вещества, как в твердом, так и в жидком состоянии уменьшается

F_Ж

F_ТВ

T_S

Температура

Температура, при которой свободная энергия в твердом и жидком состояниях равна, называется равновесной или теоретической температурой кристаллизации.

Для начала процесса кристаллизации необходимо, чтобы процесс сопровождался уменьшением свободной энергии. Это возможно при охлаждении жидкости ниже температуры Т_S. Температура, при которой практически начинается кристаллизация называется фактической температурой кристаллизации.

Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации называется переохлаждением, которое характеризуется степенью переохлаждения (Т):

Т = Т_S - T_КР

Степень переохлаждения зависит от природы металла, от степени его загрязнения (чем чище металл, тем больше степень переохлаждения), от скорости охлаждения (чем выше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждения).

Для изучения кристаллизации строят кривые охлаждения, которые показывают изменения t⁰ c течением времени по мере охлаждения расплавленного ML.

До точки Т_КР охлаждается металл в жидком состоянии, процесс сопровождается плавным понижением температуры. На горизонтальном участке идет процесс кристаллизации, сопровождающийся выделением тепла, которое называется скрытой теплотой кристаллизации. Оно компенсируется рассеиванием теплоты в пространство, и поэтому температура остается постоянной. После окончания кристаллизации температура снова начинает снижаться, металл охлаждается в твердом состоянии.

Кристаллизация складывается из двух процессов – зарождения центров кристаллизации и роста кристаллов из этих центров. Скорость каждого из процессов зависит от степени переохлаждения. При Т = 0 образование зародышей кристаллов невозможно, т.к. равна нулю разность энергий Гиббса жидкого и твердого состояний. С увеличением переохлаждения эта разность растет, вызывая увеличение скорости возникновения центров (числа центров – ч.ц.) и скорости роста кристаллов (с.к.).

При небольших значениях Т (при малых величинах ч.ц. и больших с.к.) образуются крупнозернистые структуры. С увеличением переохлаждения структуры измельчаются (ч.ц. возрастает быстрее, чем с.к.)

От степени переохлаждения зависит критический размер зародыша, т.е. такой минимальный размер, при котором рост зародыша сопровождается снижением энергии Гиббса. Зародыши мельче критического к росту не способны и растворяются в жидкости.

При охлаждении жидкого металла атомы его в отдельных местах начинают группироваться образуя отдельные центры кристаллизации.

Вокруг отдельных центров кристаллизации начинают расти кристаллы.

В начале кристаллы растут свободно, т.к. со всех сторон их окружает жидкий металл. Затем они присоединяются друг к другу и начинают расти там, где еще есть жидкий металл.

Кристаллы присоединяются друг к другу и несмотря на их правильное строение получают неправильную внешнюю форму. Кристаллы неправильной формы называются зернами или кристаллитами.

От величины образования зерен, их формы и расположения зависят свойства металла.

Металлы и сплавы с мелкозернистым строением имеют более высокую прочность и лучшую сопротивляемость ударным нагрузкам.

Схема процесса кристаллизации

В реальных условиях форма и размер образующихся кристаллов, помимо условий столкновения, зависят от направления и скорости отвода теплоты, температуры жидкого металла, вида и количества примесей. Нередко при кристаллизации возникают разветвленные древовидные кристаллы, называемые дендритами.

Вопросы теста: