ЛЕКЦІЇ Матеріалознавство / ЛЕКЦІЯ тема2

5

Тема 2 ОСНОВИ ТЕОРІЇ КРИСТАЛІЗАЦІЇ МЕТАЛІВ (2 год)

План

1. Кристалізація металів.

Енергетичні умови протікання кристалізації.

Фізична суть процесу кристалізації.

2. Правило фаз Гібса.

3. Механізм процесу кристалізації і перекристалізації.

Вплив умов кристалізації на величину зерна.

4. Способи одержання металів із дрібнокристалічною структурою.

5. Форма кристалів і будова стального виливка.

–1–

Існує температура рівноваги або теоретична температура кристалізації Т_S, при якій рідка і тверда фаза мають однакову внутрішню енергію. Для початку кристалізації необхідно, щоб вільна енергія системи зменшувалася. Це відбувається при переохолодженні. Переохолодження як дія – це охолодження рідинної фази металу нижче температури рівноваги

Переохолодження як явище – неспівпадання температур початку кристалізації і температури плавлення. Різниця між температурами Т_пл і Т_к, при якій процес кристалізації, називається ступенем переохолодження: ∆Т=Т_пл - Т_к. (10…30 ^оС).

Кристалізація – це процес утворення ділянок кристалічної решітки в рідинній фазі.

Процес кристалізації починається з утворення кристалічних зародків (центрів кристалізації) і продовжується зростання їх числа і розмірів. Поки кристали ростуть вільно, мають правильну геометричну форму. При взаємному зіткненні правильна форма порушується і називаються кристалітами чи зернами.

Рис.2.1. Температурна залежність енергії Гіббса метала в рідкому (F_р)

і твердому (F_т) станах

При температурах, близьких до температури плавлення, у рідкому металі можуть утворюватися дозародкові угрупування, в яких атоми упаковані так, яка кристалі називаються фазовими флуктуаціями. У чистому рідкому металі перетворитися у центри кристалізації. Ріст зародка можливий за умови, якщо він досяг певного розміру, починаючи з якого збільшення призводить до зменшення вільної енергії.

Зміна вільної енергії ΔF=-ΔF_об+ΔF_пов або ΔF=-VΔf+Sσ, де Δf - різниця об'ємних вільних енергій рідкого і твердого металів (F_р-F_тв); V - об’єм зародка; S - величина поверхні кристалів; σ - поверхневий натяг.

3. Механізм процесу кристалізації і перекристалізації.

Вплив умов кристалізації на величину зерна.

Швидкість процесу кристалізації і будова металу залежать від швидкості утворення зародків, швидкості зростання кристала.

При рівноважній температурі кристалізації (Т_пл) число зародків і швидкість росту рівні нулю, кристалізація не відбувається. При збільшенні ступеня переохолодження швидкість утворення зародків і швидкість росту зростають, при визначеному ступені переохолодження досягають максимуму, після чого знижуються – з підвищенням ступеня переохолодження різниця вільних енергій рідкого і твердого металів зростає, а це сприяє підвищенню швидкості кристалізації (утворення зародків) і їх росту.

Чим більша швидкість утворення зародків і менша швидкість росту, тим менший і розмір кристала і більш дрібнозерниста структура металу.

При невеликому ступені переохолодження ∆Т (малій швидкості охолодження) число зародків мале. У цих умовах буде отримана великозерниста структура.

Утворення зародків у рідкому металі за описаним механізмом називається спонтанним. відбувається у чистому рідкому металі (гомогенне затвердіння).

У металах є домішки (оксиди, неметалічні включення), що поліпшує утворення зародків. повинні мати вищу температуру плавлення, ніж основний метал.

на домішках виникають зародки, і затвердіння рідини починається при меншому переохолодженні, ніж при самовільному зародженні. Чим більше домішок, тим більше центрів кристалізації, тим дрібнішим утворюється зерно. Таке утворення зародків називають гетерогенним.

Поліморфні перетворення

Атоми тіла, перебудовуються в кристалічні гратки іншого типу. Поліморфну модифікацію, стійку при низькій температурі, позначати буквою α, при більш високій - β, потім - γ.

якщо при даній температурі може існувати метал з іншою кристалічною граткою і меншим рівнем вільної енергії. На рис.2.6.температурна залежність вільних енергій α-Fe, γ-Fe, на рис.2.7. – крива охолодження чистого заліза.

в інтервалі температур 911…1392 ^оС стійким γ-залізо (Fe_γ) (К12), має меншу вільну енергію, ніж α-залізо (Fe_α), при температурах нижче 911 і вище 1392 °С стійким є α-залізо (Fe_α) (К8).

Перехід чистого металу з однієї поліморфної модифікації в іншу відбувається при постійній температурі (критичній точці) (рис.2.7) і супроводжується виділенням тепла (при охолодженні) чи поглинанні (при нагріванні)..

щоб поліморфне перетворення відбувалося, потрібно переохолодження (або перенагрівання) відносно рівноважної температури, Поліморфне перетворення за механізмом - кристалізаційний процес утворення зародків і зростання. Зародки нової модифікації виникають на межах зерна вихідних кристалітів або в зонах з підвищеним рівнем вільної енергії.

Рис.2.6. Температурна залежність енергії Рис.2.7. Крива охолодження Гіббса поліморфних модифікацій заліза. чистого заліза.

У результаті поліморфного перетворення утворюються нові кристалічні зерна, які мають інший розмір і форму – перетворення називають перекристалізацією.

Якщо нагрівання металу до температури, що перевищує температуру поліморфного перетворення (критичної точки), утворюється дрібне зерно.

4. Форма кристалів і будова стального виливка.

У залежності від швидкості охолодження, кількості домішок утворюються деревоподібні, кристали - дендрити (рис.2.4). утворюються довгі гілки (рис.2.4, а), осі першого порядку (І - головні осі дендрита). зароджуються і ростуть перпендикулярні до них гілки другого порядку (ІІ). на осях другого порядку зароджуються і ростуть осі третього порядку (ІІІ). Так утворюються кристали у формі дендритів.

Рис.2.4. Схеми дентритного кристала (а) і росту дентритів (б)

В залежності від швидкості охолодження рідкого металу, зерна можуть мати рівновісну (глобулярну) і стовпчасту (витягнуту) форму.

В зливку три зони (рис.2.5). Кристалізація починається на поверхні форми, яка більш холодна, в тонкому шарі переохолодженої рідини. Через велику швидкості охолодження утворюється на поверхні вузька зона 1 дрібних рівновісних кристалітів. Зона 2 подовжених кристалітів (зона стовпчастих кристалів). У середній частині зона 3 великих рівновісних кристалітів.

Рис.2.5. будова стального злитка: а – поздовжній переріз; б – поперечний переріз; 1 – зона дрібних рівновісних; 2 – зона стовпчасти; 3 – зона великих рівновісних; 4 – усадочна раковина.

Рідкий метал має більший питомий об’єм, ніж твердий, тому в тій частині злитка, що застигає в останню чергу, утворюється порожнина - усадочна раковина (4), оточена найбільш забрудненою частиною металу.

ДЛЯ 1 ЛЕКЦІЇ (закінчення)

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Способность металла сопротивляться воздействию внешних сил характеризуется механическими свойствами: прочность, упругость, пластичность, ударную вязкость, твердость и выносливость.

Нагрузка вызывает в твердом теле напряжение и деформацию.

Напряжение – величина нагрузки, отнесенная к единице площади поперечного сечения испытуемого образца.

Деформация – изменение формы и размеров твердого тела под влиянием приложенных внешних сил. Деформация может быть упругой, исчезающей после снятия нагрузки, и пластической, остающейся после снятия нагрузки.

Пластичность – свойство твердых тел, не разрушаясь, необратимо изменять свои внешние формы (пластически течь) под действием внешних сил или внутренних напряжений.