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 Т_о - температуры фазового равновесия, когда G_тв = G_ж. 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 а_кр и больше способны к росту, т.к. снижают энергию Гиб­бса. а_кр - критический минимальный размер зародыша, способного к росту. а_кр (критиче-ский зародыш) зависит отАТ:АТ₂>АТ₁ (Т₁<Т₂)_; 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.

AG_общ = -AGvn + o-S-n^AG_общ = -AG_объем + AG_пов. AG_V - изменение энергии Гиббса на единицу объема; о - межфазная энергия единицы поверхности; S - поверхность раздела ж-тв кристалл; п - число зародышей;

AG_кр = 1/3oS - энергия образования критического зародыша; Гкр - 4o/AG_v - 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 ∆F_v, 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)

26. – зона мелких рав­ноосных кристаллов;

27. – зона столбчатых кристаллов;

28. – зона равноосных кристаллов;

29. – 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)

30. – зона равноосных кристаллов;

31. – 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

32. Что называется кристаллизацией?

33. Условия прохождения процесса кристаллизации.

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

35. Почем у величина кристаллов зависит от степени переохлаждения?

36. Характеристики процесса кристаллизации.

37. Гомогенное и гетерогенное образование зародыша.

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

39. Что та к о е дендрит?

40. 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