- •Материаловедение
- •1. Атомно-кристаллическое строение материалов
- •1.1 Агрегатные состояния вещества
- •1.2 Аморфное и кристаллическое состояние твёрдых тел
- •1.3 Понятие кристаллической решётки
- •1.4 Структура кристаллов
- •1.5 Поликристаллическое (зернистое) строение материалов
- •1.6 Анизотропия кристаллов
- •1.7 Дефекты кристаллической структуры
- •2. Структура и свойства металлов
- •2.1 Общая характеристика и классификация металлов
- •2.2 Металлическая межатомная связь и модель «электронного газа»
- •2.3 Кристаллическая структура металлов
- •2.4 Полиморфизм металлов
- •3. Формирование микроструктуры металлов
- •3.1 Энергетические причины процесса кристаллизации
- •3.2 Кривые охлаждения металлов
- •3.3 Механизм процесса кристаллизации
- •3.4 Строение слитка металла
- •4. Деформация и механические свойства материалов
- •4.1 Упругая и пластическая деформация материалов
- •4.2 Методы механических испытаний материалов
- •4.3 Испытания материалов на одноосное растяжение. Диаграмма растяжения.
- •4.4 Механизм упругой и пластической деформации.
- •4.5 Наклёп или упрочнение металлов под воздействием
- •4.6 Возврат и рекристаллизация деформированных металлов
- •4.7 Разрушение материалов
3.2 Кривые охлаждения металлов
С увеличением степени переохлаждения расплава возрастает выигрыш в энергии (Δ F), связанный с переходом вещества из жидкого состояния в кристаллическое (на рис. 3.1. ΔF2 ΔF1). Эту выделяющуюся при кристаллизации энергию называют скрытой теплотой кристаллизации. Скрытая теплота кристаллизации компенсирует отвод тепла от охлаждаемого жидкого металла пока идёт процесс его затвердевания. В результате температура металла при кристаллизации остается постоянной. Этот факт отражает теоретическая кривая охлаждения чистого металла, содержащая при температуре TS горизонтальную площадку (рис. 3.2.).
Рис. 3.2. Кривые охлаждения
чистых металлов:
1 – теоретическая;
2 – реальная.
Т – температура, t –
время.
Реальная кривая охлаждения металла выглядит несколько иначе. Она отражает факт переохлаждения расплава и поэтому здесь горизонтальная площадка располагается при температурах ниже TS. Кроме того, на площадке наблюдается выброс вверх, обусловленный бурным выделением скрытой теплоты кристаллизации в начальный момент затвердевания расплава. Выброс тем больше, чем большая масса металла кристаллизуется.
3.3 Механизм процесса кристаллизации
Процесс кристаллизации расплава состоит из двух одновременно протекающих подпроцессов - зарождения и роста кристаллов.
В жидком расплаве всегда случайным образом возникают скопления атомов с упорядоченной кристаллической структурой. В следующий момент времени эти зародыши кристаллов могут раствориться, а могут увеличиться в размерах. Существует некоторый критический размер зародышей rk. Все скопления атомов (т.е. зародыши) меньшего размера в дальнейшем растворяются, а большего - растут, становясь центрами кристаллизации.
Число центров кристаллизации, образующихся в единицу времени, или, по-другому, скорость образования зародышей (С.О.З.), так же как и скорость роста кристаллов (С.Р.К.), зависят от степени переохлаждения расплава. Эту зависимость отражает следующий график:
Рис. 3.3. Зависимость С.Р.К. и С.О.З. от
степени переохлаждения расплава.
С.Р.К. – скорость роста кристаллов;
С.О.З. – скорость образования зародышей.
При ΔТ = 0 (т.е. когда Т = ТS) скорость роста кристаллов и скорость образования зародышей равны нулю. Другими словами при температуре ТS процесс кристаллизации не идёт.
С увеличением ΔТ скорость роста кристаллов и скорость образования зародышей нарастают, а затем, достигнув максимума, начинают уменьшаться асимптотически до нуля. Нарастание скорости роста кристаллов и скорости образования зародышей связано с тем, что при увеличении степени переохлаждения расплава увеличивается выигрыш в энергии ΔF, обусловленный переходом металла из жидкого состояния в кристаллическое. Выигрыш в энергии расходуется на образование границы раздела между жидкой и твердой фазами. Чем крупнее зародыш, тем меньше отношение его поверхности к объему и поэтому выигрыш в энергии перекрывает затраты на образование границы раздела. Такой зародыш оказывается энергетически выгодным и в дальнейшем будет расти. У очень маленьких зародышей (меньших rk) отношение поверхности к объему больше. В результате скрытой теплоты кристаллизации ΔF не хватает на образование поверхности раздела. Такой зародыш оказывается энергетически не выгодным и в дальнейшем будет растворен. С увеличением степени переохлаждения расплава и, следовательно, увеличением ΔF, всё более мелкие зародыши оказываются энергетически выгодными. Другими словами с повышением степени переохлаждения расплава растёт число зародышей способных к дальнейшему росту.
Уменьшение скорости роста кристаллов и скорости образования зародышей при дальнейшем увеличении степени переохлаждения расплава связано с уменьшением подвижности атомов при низких температурах.
При очень высоких степенях переохлаждения расплава процесс образования и роста зародышей оказывается подавленным из-за чрезвычайно низкой подвижности атомов. В результате формируется аморфное состояние материала.
При относительно невысоких степенях переохлаждения расплава ΔТ1 С.Р.К. преобладает над С.О.З. (рис. 3.3). Образуется относительно небольшое число зародышей, которые быстро растут, в результате чего формируется крупнозернистая структура металла. При больших степенях переохлаждения ΔТ2 С.О.З. преобладает над С.Р.К. Образуется много зародышей, которые не так быстро растут, в результате чего формируется мелкозернистая структура материала.
Таким образом, с увеличением степени переохлаждения расплава, зёрна затвердевшего металла уменьшаются в размере.