Лекция 2

«Формирование структуры литых металлов»

Любое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях:

• Твердом

• Жидком

• Газообразном

Переход металла из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллической структуры называется первичной кристаллизацией.

Образование новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе называется вторичной кристаллизацией.

Кристаллы могут зарождаться самопроизвольно – самопроизвольная кристаллизация.

Или расти на имеющихся готовых центрах кристаллизации – несамопроизвольная кристаллизация.

Самопроизвольная кристаллизация обусловлена стремлением вещества иметь более устойчивое состояние, характеризуемое уменьшением свободной энергии или термодинамического потенциала.

Чем объяснить существование при одних температурах жидкого, а при других температурах твердого состояния и почему превращение происходит при строго определенных температурах?

В природе все самопроизвольно протекающие процессы, а, следовательно, кристаллизация и плавление обусловлены тем, что новое состояние в новых условиях является энергетически более устойчивым, обладает меньшим запасом энергии. Это можно пояснить примером:

Тяжелый шарик из положения 1 стремиться попасть в более устойчивое положение 2, т.к. в положении 2 потенциальная энергия меньше, чем в положении 1.

Возможен переход из одного состояния в другое, если новое состояние в новых условиях является более устойчивым, обладает меньшим запасом энергии.

С изменением внешних условий свободная энергия изменяется по сложному закону различно для жидкого и кристаллического состояний. Характер изменения свободной энергии жидкого и твердого состояний с изменением температуры показан на рис.

Изменение свободной энергии в зависимости от температуры

В соответствии с этой схемой выше температуры Т_S вещество должно находиться в жидком состоянии, а ниже Т_S – в твердом.

При температуре равной Т_S жидкая и твердая фаза обладают одинаковой энергией, металл в обоих состояниях находится в равновесии, поэтому две фазы могут существовать одновременно бесконечно долго. Температура Т_S – равновесная или теоретическая температура кристаллизации.

Для начала процесса кристаллизации необходимо, чтобы процесс был термодинамически выгоден системе и сопровождался уменьшением свободной энергии системы. Это возможно при охлаждении жидкости ниже температуры Т_S.

Температура, при которой практически начинается кристаллизация называется фактической температурой кристаллизации.

• Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации называется переохлаждением, которое характеризуется степенью переохлаждения.

• Процесс перехода металла из жидкого состояния в твердое можно изобразить графически в координатах температура – время по так называемым кривым охлаждения

Кривая охлаждения

Кривая охлаждения имеет следующий вид:

Д.К. Чернов, изучая структуру литой стали указал, что процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов:

зарождения мельчайших зародышей или центров кристаллизации

роста кристаллов из этих центров

Этот процесс можно изучать с помощью рассмотрения моделей (схем), что успешно применялось Миркиным И.Л.

Предположим, что на некоторой площади за 1 сек возникает 5 центров кристаллизации, которые растут с определенной скоростью. К концу 1-ой сек образовалось 5 зародышей, к концу «-й они выросли и возникло еще 5 зародышей, к концу 2-й они выросли и так далее. Так в результате возникновения зародышей и их роста происходит процесс кристаллизации.

При образовании кристаллы растут свободно, они могут иметь геометрически правильную форму. При столкновении же растущих кристаллов их правильная форма нарушается. В результате этого при после затвердевания кристаллы имеют неправильную форму, их называют кристаллитами или зернами.