Министерство образования и науки Российской Федерации Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»

Реферат: «Материаловедение»

Выполнил: Койнов Е. М.

Преподаватель: Новиков В.А.

Екатеринбург 2015

Кристаллизация металлов.

Все металлы могут находиться в твердом, жидком или в газообразном состояниях. Переход из твердого состояния в жидкое происходит при определенной температуре плавления, переход из жидкого состояния в газообразное происходит при температуре кипения. Эти температуры зависят от давления. Температура плавления является одной из важнейших характеристик металла.

Процессы нагрева или охлаждения, при которых происходит переход металла из одного состояния в другое, связаны с получением или потерей тепла. Все превращения в природе, протекающие самопроизвольно, вызываются стремлением системы к переходу из неустойчивого состояния в более устойчивое, обладающее меньшим запасом свободной энергии.

С изменением температуры свободная энергия для жидкого и твердого (кристаллического) состояния изменяется различно. Но для каждого металла есть такая температура, при которой свободные энергии жидкого и твердого состояний равны, металл в обоих состояниях находится в равновесии. Эта температура и называется теоретической температурой кристаллизации.

Процесс образования кристаллов состоит из двух одновременно протекающих стадий: появления зародышей - устойчивых центров кристаллизации и роста кристалликов вокруг этих центров.

Сначала каждый кристаллик в жидкости растет свободно, сохраняя правильную геометрическую форму. Так как одновременно образуется много кристаллических центров и рост кристалликов идет по всем направлениям, то смежные кристаллы, увеличиваясь, начинают непосредственно соприкасаться друг с другом и правильная форма их нарушается. В результате кристалл приобретает округленную форму, напоминающую зерно. Такие кристаллы принято называть кристаллитами, или зернами.

В зависимости от условий затвердевания зерна могут быть крупными, хорошо различимыми невооруженным глазом, и мелкими, которые можно рассмотреть только при помощи металлографического микроскопа.

Температурный гистерезис

Температура, при которой термодинамические потенциалы вещества в твердом и жидком состояниях равны, называется равновесной температурой кристаллизации. Кристаллизация происходит в том случае, если термодинамический потенциал вещества в твердом состоянии будет меньше термодинамического потенциала вещества в жидком состоянии, т.е. при переохлаждении жидкого металла до температур ниже равновесной. Плавление — процесс, обратный кристаллизации, происходит при температуре выше равновесной, т.е. при перегреве. Разница между реальными температурами плавления и кристаллизации называется температурным гистерезисом.

Степень переохлаждения

Практически процесс кристаллизации металлов происходит при температуре ниже теоретической температуры кристаллизации, т. е. при некоторой фактической температуре кристаллизации.

Охлаждение жидкого металла ниже теоретической температуры кристаллизации носит название явления переохлаждения. Разность между теоретической и фактической температурами кристаллизации называется степенью переохлаждения.

Процесс кристаллизации, т. е. переход из жидкого состояния в твердое, изображается кривыми охлаждения, которые строятся в координатах температура — время (рис. 1).

(рис. 1)

1 — теоретическая кривая кристаллизации металлов; 2 — кривая кристаллизации металла с переохлаждением; 3 — кривая охлаждения с петлей; 4 — кристаллизация неметалла

Жидкий металл при охлаждении не испытывает качественных изменений: кривая охлаждения идет плавно. При достижении теоретической температуры кристаллизации на кривой охлаждения появляется горизонтальная площадка, так как отвод тепла компенсируется выделяющейся при кристаллизации скрытой теплотой кристаллизации. Когда закончится процесс кристаллизации, кривая охлаждения снижается опять плавно.

У некоторых металлов как, например, у сурьмы, из-за большого переохлаждения скрытая теплота кристаллизации выделяется настолько бурно, что температура скачкообразно повышается и приближается к теоретической температуре кристаллизации. Процесс кристаллизации имеет важное значение, так как все превращения определяют структуру металла, а следовательно, и его свойства.

В жидком металле происходит непрерывное движение атомов. С понижением температуры движения атомов замедляются. Они начинают сближаться, группироваться, образуя зародыши или центры кристаллизации. Процесс образования этих зародышей идет непрерывно, но наряду с ним происходит и процесс роста образовавшихся кристаллов.

Число центров кристаллов, зарождающихся в единицу времени (1 мм³/сек), и скорость кристаллизации (мм/сек) зависят от степени переохлаждения. При небольшом переохлаждении образуется малое количество крупных кристаллов, при большом — образуется значительное количество мелких кристаллов. Это находит место в практике литейного производства: при литье тонкостенных деталей получается мелкозернистая структура, а при литье деталей с толстыми стенками — крупнозернистая.