Лабораторна робота № 3 Кристалізація металів

Мета роботи: I. Ознайомитися з будовою зливків різних металів і сплавів і встановити кристалізації цих відливань.

2. Вивчити процес кристалізації різних солей з водних розчинів. 3. Вивчити ступені переохолодження на величину зерна і властивості металів і сплавів.

Обладнання: Мікроскоп біологічний, водні розчини наступних солей: Pb(NO₃)₂ азотнокислий свинець і К₂CrO₇ – хромпік.

Теоретична частина.

Перехід металу з рідкого стану в тверде називають первинною кристалізацією. Перетворення, що відбуваються в металах у твердому стані, називають перекристалізацією.

Гомогенна (мимовільна) кристалізація.

Процес кристалізації чистих металів є мимовільним процесом, а за другим законом термодинаміки - всі перетворення, що мимовільно протікають в природі, викликаються прагненням системи до переходу із нестійкого стана в більш стійкий з меншим запасом вільної енергії.

Вільна енергія розглянути на графіку:

G

Gж

Gтв

T, ^oC

Tкр ТS

Точка перетину цих кривих відповідає рівноважній температурі кристалізації( ТS ) .В цій точці спостерігається рівність вільних енергій( Gж ₌Gтв _),а тому при цій температурі ні процес кристалізації, ні процес топлення протікати до кінця не можуть.

Для розвитку процесу кристалізації необхідно створити такі умови, при яких вільна енергія твердої фази буде < ніж Gж, а для процесу топлення Gж <Gтв_.

Графік показує, це можливо тільки при деякому переохолодженні сплаву.

Ступенем переохолодження T називається різність між рівноважної (теоретичної) і фактичної температурами кристалізації.

T =Ts-Tкр

Ніж > T, тим >G і тим вірогідніше існування твердих кристалів.

Для розвитку процесу топлення необхідна деяка міра перегріву металу.

Т' = Тт -Тs

Механізм процесу кристалізації:

Д.Чернов встановив що процес кристалізації протікає в декількох стадіях:

1.Зародження центрів кристалізації:

Крісталіти або зерна, стійкі, здібні до росту зародки

При температурах, близьких до Тт_, створюються умови для появи в рідкому металі певних угруповань атомів ближнього порядку. Такі угруповання можуть виникати в певних об'ємах, існувати якийсь час, руйнуватися і знову виникати в ін. місці. В твердому тілі атоми зберігають равенство а=в=с і дальній порядок. Переміщення атомів в рідкому металі пов'язано з наявністю вільних вузлів. Атоми, що вирвалися із свого атомного оточення, переміщаються у вільні вузли або міжвузловину, звільняючи місце для другого атома. Утворенню атомних угруповань у рідкому металі сприяють, так звані флуктуації, тобто випадкові тимчасові місцеві відхилення від середніх значень розподілу енергії. Чим нижче температура, тим більше розвиток отримують флуктуації угруповань, що є основою для зародження майбутніх центрів кристалізації.

Якщо центр кристалізації, що утворився, виявиться термодинамічно стійким, то він збережеться, а якщо немає – то центр кристалізації розчиниться в рідкому металі.

Найменший зародок, здібний до росту, називається критичним (r*). Він не стійкий і росте унаслідок зменшення своєї енергії: енергія Гібса сама min для дрібного зерна.

Щоб йшов процес кристалізації, треба r>r*, тобто зменшувати G. якщо ж r< r*, то зародок розчиниться.