Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Материаловедение в схемах-конспектах.doc
Скачиваний:
1
Добавлен:
01.05.2025
Размер:
7.92 Mб
Скачать

2. Кристаллизация металло в и строение металлическо - го слитка

Переход металла из жидкого состояния в тв ер до е (кристаллическое) на­зывается процессом кристаллизации.

КР ИСТ АЛ Л ИЗАЦИЯ

I

Э нергетическое условие – система приходит к термодинамически бо­лее устойчивому со­стоянию с меньшей энергией Гиббса (сво­бодной энергией).

Уменьшение энергии Гиббса возможно только при переохлаждении

ниже То - температуры фазового равновесия, когда Gтв = Gж. Степень переохлаждения AТ. AТ = Т0 - Т1 Т1 - темпе­ратура, при которой идет процесс кристалли­зации. G - изменение энергии.

Образование зародыша новой фазы. Зародыш образуется в объемах жидкой фазы с ближ­ним порядком в распо­ложении атомов. Обра­зование зародыша при­водит к снижению энергии Гиббса (а -размер зародыша).

Только зародыши раз­мером акр и больше способны к росту, т.к. снижают энергию Гиб­бса. акр - критический минимальный размер зародыша, способного к росту. акр (критиче-ский зародыш) зависит отАТ:АТ2>АТ112); акр2 < акр1 .

Рост зародыша новой фазы.

Рост кристалла про­исходит путем пере­хода атомов из жид­кости к зародышу но­вой фазы.

Кристалл растет по­слойно.

Сначала образуется двухмерный зародыш) одноатомной толщи­ ны размером г>Гкр (1), который растет за счет поступления

атомов из жидкости

(2).

Рост двухмерного за­родыша.

AGобщ = -AGvn + o-S-n^AGобщ = -AGобъем + AGпов. AGV - изменение энергии Гиббса на единицу объема; о - межфазная энергия единицы поверхности; S - поверхность раздела ж-тв кристалл; п - число зародышей;

AGкр = 1/3oS - энергия образования критического зародыша; Гкр - 4o/AGv - размер критического зародыша.

12

МОД ЕЛЬ ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Характеристики процесса кристаллизации ч.з. (n) – число центров крис таллизации; с.р. (с) – линейная скорость роста.

Si

^

*J

/

\

/

f

JA

j^S

? .

L^

jr

С увеличением ∆Т растет разность энергии Гиббса ∆Fv, что способствует образованию новых зародышей и их росту.

Однако снижение Т0 приводит к за­медлению диффузии, что замедляет процесс.

Величина образовавшихся кристал­лов зависит от ∆Т – чем выше ∆Т, тем больше зародышей, способных к рос­ту , тем меньше кристаллы. Кристаллы имеют форму дендритов – разветвленных кристаллов.

Самопроизвольное образование зародышей в однородной (гомо­генной) системе – гомоген ное об­разование зародыш ей. В неоднородной системе (много примесей) зародыши образуются на примесях – гетерогенное обра­зование зародышей. Модифицирование – ис пользова­ние специально вводимых в жид­кий металл примесей (модифика­торов) для получения мелкого зерна.

не модифиц. модифициров. Схема структуры литого металла.

13

Строение слитка после процесса кристаллизации зависит от степени переохлаждения, направления отвода тепл а , наличия готовых центров крис таллизации.

СТРОЕНИЕ СЛИТКА

степень

Небол ьш ая

переохлаждения (∆Т) (нормальное охлаж­дение)

  1. – зона мелких рав­ноосных кристаллов;

  2. – зона столбчатых кристаллов;

  3. – зона равноосных кристаллов;

  4. – усадочная ракови­на.

и

Сильный перегрев быстрое охлаждение (большая ∆Т)

2 – зона столбчатых кристаллов; 4 – усадочная ракови­на. Явление тр а нс к р и -сталлизации.

Очень медленное ох­лаждение (малая ∆Т)

  1. – зона равноосных кристаллов;

  2. – усадочная ракови­на.

Жидкий металл имеет больший объем, чем тв ер дый, поэтому в верхней части слитка, которая застывает последней, образуется пустота – усадочная раковина.

14

ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ ПО ТЕМЕ

  1. Что называется кристаллизацией?

  2. Условия прохождения процесса кристаллизации.

  3. Что так о е критический зародыш, от чего зависит его размер?

  4. Почем у величина кристаллов зависит от степени переохлаждения?

  5. Характеристики процесса кристаллизации.

  6. Гомогенное и гетерогенное образование зародыша.

  7. Что так о е модификаторы и для чего они применяются?

  8. Что та к о е дендрит?

  9. Как влияют условия кристаллизации на строение слитка?

ЗАДАЧИ

Задача № 1

Теоретическая температура плавления свинца 3270С. К началу кристалли­зации жидкий металл переохладили до 2000С. Чему равна степень переохлаж­дения ∆Т?

Задача № 2

Ис по л ьз у я зависимость изменения свободной энергии Гиббса от те м пер а -туры, определить, какая фаза будет находиться в металле при температуре Т1, Т2, Т3? (рис. 4).

Рис. 4

Задача № 3

Температура кристаллизации меди 10900С. Один слиток меди затвердевал с переохлаждением 1000С, другой – 5000С. Зарисовать образовавшуюся струк­туру слитка и объяс нить результат.

15