
- •Учебное пособие
- •Введение
- •1. Кристаллическое строение металло в
- •2. Кристаллизация металло в и строение металлическо - го слитка
- •3. Фазы в металлических сплавах
- •4. Диаграммы фазового равновесия двойных систем (диаграммы состояния)
- •5. Деформация и разрушение металло в
- •6. Механические свойства металлов
- •7. Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла
- •8. Д иаграмма состояния железо-углерод (метастабильная д иаграмма)
- •9. Легирующие элементы в сплавах железо-углерод
- •10. Стабильная д иаграмма состояния железо-углерод (графит)
- •11. Чугуны
- •12. Фазовые превращения в сплавах железо-углерод (тео рия термическо й обработки)
- •2. Превращение пер еохл аж д енного ауст енит а
- •1 3. Превращение при непрерывном охлаждении
- •14. Техно ло г ия термическо й обработки металлов и сплавов
- •15. Список литера туры
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>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.
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
переохлаждения (∆Т) (нормальное охлаждение)
– зона мелких равноосных кристаллов;
– зона столбчатых кристаллов;
– зона равноосных кристаллов;
– усадочная раковина.
и
2 – зона столбчатых кристаллов; 4 – усадочная раковина. Явление тр а нс к р и -сталлизации.
Очень медленное охлаждение (малая ∆Т)
– зона равноосных кристаллов;
– 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
Что называется кристаллизацией?
Условия прохождения процесса кристаллизации.
Что так о е критический зародыш, от чего зависит его размер?
Почем у величина кристаллов зависит от степени переохлаждения?
Характеристики процесса кристаллизации.
Гомогенное и гетерогенное образование зародыша.
Что так о е модификаторы и для чего они применяются?
Что та к о е дендрит?
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