- •Матеріалознавство
- •Передмова
- •Умови роботи обладнання переробної промисловості
- •Розділ 1. Матеріалознавство. Особливості атомно-кристалічної будови металів
- •1.2. Метали, особливості атомно-кристалічної будови
- •1.3. Поняття про ізотропію і анізотропію
- •1.4. Алотропія, або поліморфні перетворення
- •1.5. Магнітні перетворення
- •Розділ 2. Будова реальних металів. Дефекти кристалічної будови
- •2.1. Дефекти кристалічної структури
- •2.2. Дислокація, її утворення та види
- •Розділ 3. Кристалізація металів. Методи дослідження металів
- •3.1. Механізм та закони кристалізації металів
- •3.2. Будова металевого злитку
- •3.3. Методи дослідження металів: структурні і фізичні
- •3.4. Визначення хімічного складу
- •3.5. Вивчення структури
- •3.6. Фізичні методи дослідження
- •Розділ 4. Загальна теорія сплавів. Будова, кристалізація і властивості сплавів. Діаграма стану
- •4.1. Поняття про сплави і методи їх отримання
- •4.2. Особливості будови, кристалізації і властивостей сплавів: механічних сумішей, твердих розчинів, хімічних сполук
- •4.3. Класифікація сплавів твердих розчинів
- •Розділ 5. Механічні та експлуатаційні властивості металів
- •5.1. Механічні властивості і способи визначення їх кількісних характеристик: твердість, в'язкість, втомна міцність
- •5.2. Експлуатаційні властивості
- •Розділ 6. Залізовуглецеві сплави. Діаграма стану «залізо – вуглець»
- •6.1. Залізовуглецеві сплави
- •6.2. Компоненти і фази залізовуглецевих сплавів
- •6.3. Структури залізовуглецевих сплавів
- •Розділ 7. СталІ. Класифікація і маркування сталей
- •7.1. Вплив вуглецю і домішок на властивості сталей
- •7.2. Призначення легуючих елементів та їх розподіл у сталях
- •7.3. Класифікація і маркування сталей
- •Розділ 8. Чавуни. Будова, властивості, класифікація і маркування чавунів
- •8.1. Класифікація чавунів
- •8.2. Будова, властивості, класифікація і маркування сірих чавунів
- •8.3. Високоміцний чавун із кулькоподібним графітом
- •8.4. Ковкий чавун
- •Розділ 9. Кольорові метали і сплави на їх основі
- •9.1. Титан і його сплави
- •9.2. Алюміній і його сплави
- •9.3. Магній і його сплави
- •9.4. Мідь і її сплави
- •Розділ 10. Пластмаси й їх класифікація, властивість і галузь застосування
- •10.1. Загальні відомості про пластмаси й їх класифікація
- •10.2. Термопластичні пластмаси
- •10.3. Термореактивні пластмаси
- •10.4. Синтетичні еластоміри, каучук, гума
- •Розділ 11. Деревина та її властивості
- •11.1. Загальні відомості
- •11.2. Будова дерев. Види деревини
- •11.3. Фізичні і механічні властивості деревини
- •11.4. Матеріали і напівфабрикати із деревини
- •Розділ 12. Скло. Властивості та застосування
- •12.1. Загальні відомості
- •12.2. Технологія отримання скла
- •12.3. Марки скла
- •12.4. Властивості скла
- •12.5. Види скла за призначенням
- •Протипожежне скло – армоване скло. Розділ 13. Практичне застосування матеріалів у харчовій і переробній промисловостЯх
- •13.1. Вироби з чорних та кольорових металів
- •13.2. Неметалеві матеріали в переробній промисловості
- •13.3. Екологічна небезпека матеріалів у переробній промисловості
- •Організація та методика проведення лабораторних робіт
- •Лабораторна робота 2 металографічний аналіз металів та сплавів
- •Лабораторна робота 3 вивчення структури сталей та чавунів
- •Лабораторна робота 4 вивчення мікроструктури кольорових металів та сплавів
- •Лабораторна робота 5 вивчення властивостей пластмас
- •Лабораторна робота 6 Вивчення властивостей деревини
- •6.2. Будова деревини
- •6.2.1. Макроструктура
- •6.2.2. Мікроструктура
- •6.3. Фізико-механічні властивості
- •6.3.1. Визначення вологості деревини прискореним методом
- •6.3.2. Визначення середньої густини деревини
- •6.3.3. Визначення граничної міцності за стискання
- •6.3.4. Визначення граничної міцності за згинання
- •6.4. Контрольні запитання для захисту роботи
Розділ 3. Кристалізація металів. Методи дослідження металів
3.1. Механізм та закони кристалізації металів
Будь-яка речовина може знаходитися в трьох агрегатних станах: твердому, рідкому, газоподібному. Можливий перехід з одного стану в інший, якщо новий стан у нових умовах є стійкішим, володіє меншим запасом енерґії.
Зі зміною зовнішніх умов вільна енерґія змінюється за складним законом, відмінним для рідкого і кристалічного станів. Характер зміни вільної енерґії рідкого і твердого станів зі зміною температури показаний на рис. 3.1.
Рис. 3.1. Зміна вільної енерґії в залежності від температури
Відповідно до цієї схеми, вище за температуру Тs речовина повинна знаходитися в рідкому стані, а нижче Тs – у твердому.
За температури, що дорівнює Тs, рідка і тверда фази мають однакову енерґію, метал в обох станах знаходиться в рівновазі, тому дві фази можуть існувати одночасно нескінченно довго. Температура Тs – рівноважна, або теоретична температура кристалізації.
Для початку процесу кристалізації необхідно, щоб процес був термодинамічно вигідний системі і супроводжувався зменшенням вільної енерґії системи. Це можливо за охолоджування рідини нижче за температуру Тs. Температура, за якої практично починається кристалізація, називається фактичною температурою кристалізації.
Охолоджування рідини нижче за рівноважну температуру кристалізації називається переохолодженням, яке характеризується ступенем переохолодження (∆Т):
Ступінь переохолодження залежить від природи металу, ступеня його забрудненості (чим чистіший метал, тим більший ступінь переохолодження), швидкості охолодження (чим вища швидкість охолодження, тим більша ступінь переохолодження).
Розглянемо перехід металу з рідкого стану в твердий.
У процесі нагрівання всіх кристалічних тіл спостерігається чітка межа переходу з твердого стану в рідкий. Така ж межа існує у процесі переходу з рідкого стану в твердий.
Кристалізація – це процес утворення ділянок кристалічної решітки в рідкій фазі і зростання кристалів із центрів, що утворилися.
Кристалізація протікає в умовах, коли система переходить до термодинамічно стійкішого стану з мінімумом вільної енерґії.
Процес переходу металу з рідкого стану в кристалічний можна зобразити кривими в координатах час – температура. Крива охолодження чистого металу представлена на рис. 3.2.
Ттеор – теоретична температура кристалізації; Ткр – фактична температура кристалізації
Рис. 3.2. Крива охолодження чистого металу
Процес кристалізації чистого металу
До точки 1 охолоджується метал у рідкому стані, процес супроводжується плавним зниженням температури. На ділянці 1–2 відбувається процес кристалізації, що супроводжується виділенням тепла, яке називається прихованою теплотою кристалізації. Воно, компенсує розсіювання теплоти в простір, і тому температура залишається постійною. Після закінчення кристалізації в точці 2 температура знову починає знижуватися, метал охолоджується в твердому стані.
3.2. Будова металевого злитку
Схема сталевого злитку, дана Д. К. Черновим, представлена на рис. 3.3.
Рис. 3.3. Схема сталевого злитку
Злиток складається з трьох зон:
дрібнокристалічна кіркова зона;
зона стовпчастих кристалів;
внутрішня зона крупних рівноважних кристалів.
Кристалізація кіркової зони йде в умовах максимального переохолодження. Швидкість кристалізації визначається значною кількість центрів кристалізації. Утворюється дрібнозерниста структура.
Рідкий метал під кірковою зоною знаходиться в умовах меншого переохолодження. Кількість центрів обмежена і процес кристалізації реалізується за рахунок їх інтенсивного зростання до великого розміру.
Зростання кристалів у другій зоні має направлений характер. Вони ростуть перпендикулярно стінкам виливниці, утворюються деревовидні кристали – дендрити (рис. 3.4). Ростуть дендрити за напрямом, близьким до напряму тепловідведення.
Рис. 3.4. Схема дендриту за Д. К. Черновим
Оскільки тепловідведення від металу всередині злитку в різні боки вирівнюється, то в центральній зоні утворюються крупні дендрити з випадковою орієнтацією.
Зони стовпчастих кристалів у процесі кристалізації стикуються. Це явище називається транскристалізацією.
Для малопластичних металів і для сталей це явище небажане, оскільки за подальшого пластичного деформування, кування можуть утворюватися тріщини в зоні стику.
У верхній частині злитку утворюється усадкова раковина, яка підлягає відокремленню і переплавленню, оскільки метал більш крихкий (близько 15–20 % від довжини злитку).