Тема: 1.2. Кристалізація металів та будова злитку. План

1. Енергетичні умови процесу кристалізації

2. Механізм кристалізації

3. Кінетика кристалізації

4. Форма і розміри кристалів

5. Будова металевого зливка

6. Ліквація, усадка при кристалізації

Рекомендована література:

1. Самохоцкий а.Н. „Металловедение”, изд. Металургія, 1990, м.

2. Бялик о.М., Черненко в.С., Писаренко в.М., Москаленко ю.Н. Металознавство м. ”Политехника”, 2002

3. Лахтин ю.М. „Металловедение” и „Термическая обработка металлов”; м „Металлургия”; 1979

Студенти повинні знати:

Основні поняття про кристалізацію, механізм та кінетику кристалізації.

Студенти повинні вміти:

Визначити вільну енергію, ступень переохолодження, вміти проаналізувати криві охолодження, різницю між стадіями кристалізації, основні критерії залежності процесу кристалізації.

Будь-яка речовина може перебувати у трьох агрегатних ста­нах: твердому, рідкому або газоподібному. Якщо тиск сталий, то перехід від одного стану до іншого в чистих металах відбува­ється при певній температурі. Наприклад, метал із твердого стану переходить у рідкий при температурі плавлення, а з рідко­го стану — у газоподібний при температурі кипіння. На особли­ву увагу в металознавстві заслуговує кристалізація, оскільки тоді формується та або інша структура.

Кристалізацією називається перехід металу від рідкого до твердого стану з утворенням кристалічної структури. Величи­на, форма й напрям орієнтації кристалів у металевому виробі помітно впливають на його експлуатаційні характеристики. Вивчення закономірностей процесу кристалізації дає змогу на­бути необхідних знань і досвіду, які використовують для оптимізації структури та властивостей металів і їх сплавів.

1 . Енергетичні умови процесу кристалізації

Перехід металу від одного стану до іншого, зокрема від рід­кого до кристалічного, можливий за умови, що кристалічний стан має менший рівень вільної енергії G порівняно з рідким. Зі зміною зовнішніх умов, наприклад температури, вільна енер­гія системи змінюється за складними законами, різними для рідкого й твердого (кристалічного) станів.

Вільна енергія — це та частина внутрішньої енергії, яка може бути перетворена в роботу. Під час підвищення температури вільна енергія рідкого і твердого станів зменшується. Схематично зміну вільної енергії G рідкого й твердого станів залежно від температури t зображено на мал. 1.5. При температурі ts віль­ні енергії обох станів однакові. Це означає, що температура ts відповідає рівноважній або теоретичній температурі кристалі­зації (плавлення) досліджуваного металу, оскільки при цій тем­пературі маємо однакові енергетичні умови для співіснування твердого та рідкого станів. Вище від температури ts меншу вільну енергію має рідкий метал, а нижче від ts — твердий.

Як уже зазначалось вище, для розвитку кристалізації необ­хідно, щоб цей процес був термодинамічно вигідний, тобто щоб супроводжувався зменшенням вільної енергії того стану, який виник. Таким чином, процес кристалізації відбувається лише тоді, коли рідкий метал буде охолоджений до температури tк, нижчої від ts. У цьому випадку існує різниця AG вільної енергії рідкого G_P і твердого G_T станів:

G = G_P – G_T (1.2)

Охолодження рідини до температури, нижчої від рівноваж­ної, називається переохолодженням, а різниця між теоретич­ною та фактичною температурами кристалізації металу — сту­пенем переохолодження t:

t = t_s - t_к (1.3)

Аналогічно можна показати, що оборотний перехід із крис­талічного стану в рідкий відбудеться при температурі, вищій від t_s (явище перегрівання). Фактичну температуру кристаліза­ції t_к у конкретних умовах легко визначають термічним аналі­зом, суть якого зводиться до побудови графіка, названого кри­вою охолодження в координатах температура „t” — час „τ”.

Для цього необхідна нагрівальна піч 2 (мал. 1.6.), тигель 1 із досліджуваним металом 3, прилади для вимірювання темпе­ратури і часу. Температуру металу звичайно вимірюють термо­електричним пірометром, що складається із термопари 4 і га­льванометра 10. Тигель вставляють у піч, де метал нагрівають до рідкого стану. Гарячий спай термопари, захищений порце­ляновою або кварцевою оболонкою 6, занурюють у метал. Хо­лодні кінці термопари з'єднують проводами 5 і 7 з гальваноме­тром. Величина струму, що пробігає від термопари до гальвано­метра, пропорційна різниці температур гарячого й холодного кінців термопари. Для зручності користування шкалу гальва­нометра градуюють у градусах Цельсія.

Р озплавлений метал охолоджують і на самописі реєструють зміну температури в часі. Отримана крива охолодження (мал. 1.7.) засвідчує, що температура плавно знижується до точки 1. Починаючи від точки 1 (початок кристалізації) спад темпе­ратури стабілізується у зв'язку з виділенням прихованої тепло­ти кристалізації. Після переходу всього рідкого металу в крис­талічний стан (точка 2) припиняється виділення прихованої теплоти кристалізації і знову настає плавне зниження темпера­тури аж до кімнатної.

Аналіз кривих охолодження чистих металів свідчить, що під час дуже повільного охолодження зі швидкістю v₁ ступінь переохолодження t₁ невеликий і кристалізація відбувається при температурі, близькій до рівноважної t_s. За більших швидкостей охолодження v₂, v₃ ступінь переохолодження t₂, t₃ зростає і температура кристалізації металу помітніше відрі­зняється від рівноважної. Звичайно ступінь переохолодження t не перевищує 10...30 °С і залежить від природи та чистоти металу. Що чистіший метал, то більша його схильність до переохолодження.