Министерство народного образования и науки РФ
ГОУ ВПО Ижевский государственный технический университет
Кафедра «ТМ и М»
Лабораторная работа
Изучение процессов кристаллизации металлов и сплавов
Выполнил:
студент гр. 3-73-1 Ватагин Р.Н.
Принял:
доцент Дронзиков В.А.
Ижевск 2011
Введение
Кристаллизацией называется процесс образования кристаллов как из жидкой фазы (первичная кристаллизация), так и из твердой фазы (вторичная кристаллизация или перекристаллизация). Первым описал процесс кристаллизации русский ученый Чернов Д.К. в 1878 году.
Д.К. Чернов указал, что процесс кристаллизации складывается из двух элементарных процессов: зарождение в жидкости неких мельчайших кристаллических частиц – центров кристаллизации (ЦК) и рост этих частиц. В результате затвердевший металл получает поликристаллическое или, что то же самое, зернистое строение из множества мелких кристаллов – «кристаллитов» или «зерен» с разориентированной по отношению друг к другу кристаллической решеткой. При этом, очевидно общее правило, что, чем больше центров кристаллизации в единице объема металла, тем мельче зерно. Чем мельче зерно тем, как правило, выше комплекс и однородность (изотропия) свойств.
В дальнейшем было установлено, что существует два вида центров кристаллизации и механизмов их образования.
1.Зародыши – представляют собой ЦК, как небольшие частички кристаллических решеток формирующегося металла или сплава, которые могут вырасти в устойчивый кристалл (кристаллит) или разрушиться и объединиться с другими более крупными и потому более устойчивыми, исходя из объективного закона минимума свободной энергии при переходе в более устойчивое состояние.
Таким образом, зародыши формируются только из атомов самого металла или сплава и возникают непосредственно в жидкой фазе. Такое самопроизвольное образование представляет спонтанный механизм кристаллизации. Здесь число ЦК соответствует числу зародышей (ЧЗ). Идеальный пример такого типа кристаллизации – кристаллизация химически чистого (однородного) металла.
2. Примеси. Оказалось, что определенные примеси (твердые включения или пузырьки газов) в тех или иных сплавах способствуют образованию на них и сохранению зародышей а некоторые из них и ограничению роста размеров кристаллов основного металла или сплава. Это могут быть случайные тугоплавкие примеси, которые практически всегда есть в реальных исходных материалах или случайно вносятся в процессе выплавки, стенки форм или специально вводимые с этой целью примеси при легировании сплава – модификаторы. В последнем случае процесс называют модификацией, а сплавы – модифицированными. Эти процессы создают гетерогенный механизм кристаллизации, когда центрами кристаллизации являются посторонние атомы, молекулы или их образования. В реальных условиях всегда работают оба механизма с превалированием того или другого в зависимости от конкретных условий. Однако, гетерогенный процесс не может существовать без спонтанного.
На рисунке 1 представлена экстраполяция кривых зависимости от температуры свободной энергии Fж для жидкого расплава и Fтв для твердого сплава. Точка пересечения кривых определяет критическую температуру Ткр перехода сплава из жидкого состояния (справа) в кристаллическое (слева).
Величина переохлаждения представляет собой разницу
ΔΤ
Рис.1.
ΔΤ=Τкр- ΤΦ,
Где ΤΦ – фактическая температура сплава в данной точке объема сплава.
Τкр- критическая температура перехода сплава из жидкого в твердый и обратно
Скорость возникновения зародышей определяется числом зародышей (ЧЗ), возникающих в единице объема (1мм) в единицу времени (с)
Скорость роста кристалла (скорость кристаллизации СК) это линейное перемещение растущей грани кристалла в миллиметрах в мм/с.
Величина получаемых кристаллов зависит от соотношения величин СК и ЧЗ при данной степени переохлаждения (ΔΤ = consl) и может быть выражена формулой:
=
ń
где а – некоторое постоянное число.
Итак, при спонтанной кристаллизации число ЦК (ЧЦ) =ЧЗ и зависит от величины переохлаждения ΔΤ, также, как и СК.
Эта зависимость была установлена в начале ХХ в. Русским ученым Г.Тамманом (рис.2),
Таким образом, изменяя степень переохлаждения, можно получить зерна разной величины, а от величин зерен зависят свойства металлов и сплавов.
У металлов и сплавов способность к переохлаждению невелика, она обычно не превышает 10-200С. У них ЧЗ чрезвычайно сильно растет с увеличением переохлаждения.
В реальных условиях при затвердевании больших слитков, величину переохлаждения замерять опытами не удается. Кристаллизация слитка
Рис. 2. Зависимость скорости роста кристаллов (с.к.) и числа центров кристаллизации (ч.ц.) от степени переохлаждения.
начинается на поверхности изложницы и последовательно продвигается до центра. Рост кристаллов в отсутствии переохлаждения возможен только за счет отвода от них теплоты кристаллизации через стенки изложницы в ранее затвердевшие слои, т.е. последовательно.
При затвердевании расплава могут получиться кристаллы разнообразной формы и размеров. Это зависит от условий охлаждения слитка, от температуры перегрева сплава и др. Форма кристаллов, как и размеры, может оказывать существенное влияние на свойства, как самих кристаллитов, так и на весь металл в целом.
Различают по форме равноосные и неравноосные кристаллы. Идеально равноосный кристалл - шар. Реально – это многогранники с примерно равными размерами по трем координатным осям. Неравноосные формы: пластинчатая, игольчатая, столбчатая (призматическая), дендритная.