КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ - раздел Образование, МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Переход Металла Из Жидкого Состояния В Твердое Называется ...
Переход металла из жидкого состояния в твердое называется кристаллизацией. При кристаллизации система переходит к термодинамически более устойчивому состоянию с меньшей свободной энергией. Изменение свободных энергий жидкого Fж и твердого Fтв металла зависит от температуры (рис. 2.1).
Выше температуры Т0 более устойчив жидкий металл. Он имеет меньший запас свободной энергии, а ниже этой температуры более устойчив твердый металл. Температуру Т0 называют равновесной температурой кристаллизации. При этой температуре одновременно могут сосуществовать жидкая и твердая фаза.
Рис. 2.1. Изменение свободных энергий F жидкого и твёрдого
металла с температурой
Процесс кристаллизации при этой температуре еще не начинается. Он может протекать только при переохлаждении металла ниже Т0. Разность между температурами Т0 и Тк называется степенью переохлаждения
DТ= Т0 –Тк.
Кривые охлаждения, характеризующие процесс кристаллизации чистых металлов при охлаждении с разной скоростью, показаны на рис. 2.2.
Рис. 2.2. Кривые охлаждения металла
при кристаллизации.
Скорости охлаждения n1<n2<n3
При очень медленном охлаждении степень переохлаждения DТ небольшая и процесс кристаллизации протекает при температуре, близкой к равновесной Т0. С увеличением скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает. При затвердевании очень чистых металлов степень переохлаждения может быть большой, но для технически чистых она не превышает 10…30 °С.
При температуре кристаллизации наблюдается горизонтальная площадка (остановка падения температуры). Образование ее объясняется выделением скрытой теплоты кристаллизации.
Процесс кристаллизации начинается с образования внутри жидкой фазы кристаллических зародышей, которые являются центрами кристаллизации. Затем происходит рост зародышей.
Чаще всего в процессе кристаллизации образуются разветвленные (древовидные) кристаллы, получившие название дендритов. При образовании кристаллов их развитие идет в направлении, перпендикулярном к плоскостям с максимальной плотностью упаковки атомов. Сначала образуются длинные ветви, которые называют осями первого порядка. Одновременно с удлинением осей первого порядка перпендикулярно к ним начинают расти оси второго порядка. На осях второго порядка растут оси третьего порядка и т.д. В последнюю очередь идет кристаллизация в участках между осями дендритов (рис. 2.3).
Дендриты растут до тех пор, пока не соприкоснутся друг с другом. Затем заполняются межосные пространства. Дендриты превращаются в кристаллы неправильной формы, которые называют кристаллитами или зернами.
а) б)
Рис. 2.3. Схема строения дентдрита (а) и вид дендритной структуры на шлифе (б)
Кристаллизация характеризуется двумя параметрами: ЧЦ – число зародышевых центров, которые возникли в единице объема жидкого металла за единицу времени; СР – скорость роста, то есть путь, проходимый растущей гранью кристалла за единицу времени.
Зародыши могут образовываться как в определенных объемах жидкости, так и на посторонних твердых частицах, присутствующих в жидком металле.
Первый способ образования зародышевых центров называется самопроизвольным, а второй – несамопроизвольным.
В жидком состоянии атомы беспорядочно перемещаются вследствие теплового движения. Но в жидкости есть небольшие группировки атомов с таким расположением, как в решетке кристалла. Эти группировки неустойчивы – они распадаются и появляются снова. При переохлаждении наиболее крупные из них становятся устойчивыми и способными к росту. Эти группировки являются зародышевыми центрами при самопроизвольной кристаллизации. Но самопроизвольное зарождение кристаллов в жидком металле затруднено.
Чаще зародышевые центры образуются на посторонних твердых частицах, присутствующих в жидком металле.
Размер зерен при затвердевании определяется соотношением количества возникающих зародышей и скорости их роста. Чем больше ЧЦ и меньше СР, тем мельче образовавшиеся кристаллы. Оба параметра связаны с перемещением атомов и поэтому зависят от температуры.
При небольших степенях переохлаждения количество зародышевых центров мало. В результате затвердевания формируется крупнозернистая структура. С увеличением степени переохлаждения число зародышевых центров растет более интенсивно по сравнению со скоростью роста. Поэтому получаются более мелкие кристаллы. Следовательно, чем больше скорость охлаждения при кристаллизации, тем мельче получается зерно. Для получения мелкого зерна в жидкий металл часто вводят специальные примеси. Этот процесс называют модифицированием [1].
Все темы данного раздела:
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Конспект лекций
Челябинск
Издательство ЮУрГУ
УДК 620.22(075.8)
Г82
Одобрено
Общая характеристика и структурные методы исследования металлов
Существуют две разновидности твёрдых тел, отличающиеся своими свойствами, кристаллические и аморфные.
Кристаллические тела при нагреве остаются твёрдыми до вп
Атомно-кристаллическая структура металлов
Металлы обладают рядом характерных свойств:
– высокой теплопроводностью и электропроводностью;
– термоэлектронной эмиссией, то есть способностью испускать электроны при нагреве;
Точечные дефекты
Размеры точечного дефекта близки к межатомному расстоянию. К точечным дефектам относятся вакансии и межузельные атомы. Вакансиями называют узлы кристаллической решётки, в которых отсу
Линейные дефекты
Основным видом линейных ДКС являются дислокации. Они бывают краевые и винтовые.
Мысленно надрежем идеальный кристалл и в образовавшуюся щель вставим дополнительную атомную по
Поверхностные дефекты
К поверхностным ДКС относятся: 1) границы зёрен; 2) границы субзёрен.
Поликристалл содержит огромное число мелких зёрен. Границы зёрен представляют собой переходную область, в которой крис
Строение сплавов
Сплавы – материалы, содержащие не менее двух элементов. Сплавы получают в результате сплавления, спекания, плазменного напыления, электролиза и т.п. Они имеют более сложное строение. В слава
Химические соединения
Химические соединения, встречающиеся в металлических сплавах, очень разнообразны. Они отличаются от твёрдых растворов следующими признаками: 1) имеют строго определённый состав и химическую формулу
Упругая и пластическая деформация
Деформацией называется изменение формы и размеров тела под действием внешних сил. Различают упругую и пластическую деформации.
Упругой называют деформа
Механизм пластической деформации
В монокристаллах пластическая деформация может осуществляться двумя способами: 1) скольжением; 2) двойникованием. Скольжение – это сдвиг одной части кристалла относительно другой. С
Влияние пластической деформации на структуру и свойства металла
Пластическая деформация вызывает в металле структурные изменения трёх видов:
1) изменяются форма и размеры зёрен. До деформации металл имеет равноосную структуру. В процессе деформации зёр
Разрушение металлов
Разрушение – это процесс зарождения и развития в металле трещин, приводящий к разделению его на части.
Разрушение может быть хрупким или вязким. Механизм зарождения
Возврат и полигонизация
Деформированный металл обладает повышенной энергией и поэтому термодинамически неустойчив. В таком металле протекают диффузионные превращения, приводящие его в более устойчивое состояние. При комна
Рекристаллизация
Рекристаллизацией называют зарождение и рост новых зёрен с меньшим количеством дефектов кристаллического строения. В результате рекристаллизации вместо деформированных зёрен образуются новые
Факторы, влияющие на размер зерна рекристаллизованного металла
Размер зерна рекристаллизованного металла существенно влияет на его свойства. Металлы и сплавы, имеющие мелкое зерно, обладают большей прочностью и вязкостью. В ряде случаев необходимо, чтобы метал
Холодная и горячая деформации
В зависимости от соотношения температуры, при которой происходит деформация, и температуры рекристаллизации данного металла различают холодную и горячую деформации.
Холодн
Компоненты и фазы в системе железо-углерод
Сплавы железа широко распространены в промышленности. Основными из них являются стали и чугуны. Это сплавы железа с углеродом.
Строение любых сплавов отражается диаграммой состояния. Чтобы
Углерод
Углерод – неметаллический элемент с атомным номером 6. Плотность углерода 2,5 г/см3. Температура плавления ~3500 °С. Углерод имеет две модификации: графит и алмаз. Графит имеет слоистую
Цементит
Цементит – химическое соединение железа с углеродом. Содержит 6,67 % С. Цементит имеет сложную ромбическую решётку. Температура плавления цементита точно не определена из-за его распада при нагреве
При медленном охлаждении
Диаграмма состояния показывает, как указывалось ранее, изменение равновесного состояния сплавов в зависимости от температуры и концентрации. Равновесным является такое состояние, при котором наблюд
Формирование структуры белых чугунов
Белыми называют чугуны, в которых углерод полностью находится в химически связанном состоянии, то есть в виде цементита. Поэтому они кристаллизуются в соответствии с диаграммой состояния Fe–
Белые чугуны
Белыми называют чугуны, в которых углерод находится в связанном состоянии в виде цементита. Цементит придаёт излому чугуна специфический светлый блеск. Поэтому чугун называют белым. Фазовые
Серые чугуны
В серых чугунах углерод полностью или большей частью находится в химически свободном состоянии, то есть в виде графита. Графит в сером чугуне имеет форму пластинок либо розеток (рис.6.1, а).
Высокопрочные чугуны
Высокопрочными называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму (рис. 6.1, б).
Шаровидная форма графита не является активным концентратором напряжений и поэтому меньше ослаб
Ковкие чугуны
Ковкими называют чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму (рис. 6.1, в).
Ковкий чугун получают из белого чугуна в результате длительного нагрева при высоких температ
Примеси в сталях
Промышленные стали, помимо основных элементов (железа и углерода), всегда содержат и другие элементы. Эти элементы можно разделить на 4 группы: 1) постоянные примеси – Mn (до 0,8 %), Si (до 0,4
Влияние углерода на свойства стали
Углерод оказывает определяющее влияние на свойства стали. После медленного охлаждения структура стали состоит из двух фаз: феррита и цементита.
Феррит – мягкий и пластичный, а цементит – т
Влияние постоянных примесей на свойства стали
Постоянными примесями в стали являются марганец, кремний, сера и фосфор.
Марганец является полезной примесью. Он вводится в сталь для раскисления. Раскисление – это процесс удале
Влияние легирующих элементов на критические точки железа
Легирующие элементы вводятся в сталь для получения необходимой структуры и свойств. Большинство их образуют с железом твердые растворы замещения. Они влияют на положение точек А3 (911 °С
Маркировка сталей
Углеродистые конструкционные стали делят на стали обыкновенного качества и качественные.
Углеродистые стали обыкновенного качества маркируют: Ст 0, Ст 1, Ст 2, Ст 3, Ст 4,
Коррозионно-стойкие и жаростойкие стали и сплавы
Коррозия – это разрушение металла под действием окружающей среды. При коррозии металлы покрываются ржавчиной. Коррозия ухудшает механические свойства металла.
Различают химическую и
Жаропрочные стали и сплавы
Жаропрочными называют такие стали и сплавы, которые могут определенное время работать под нагрузкой при высоких температурах и при этом обладать жаростойкостью.
В теплоэнергетике жа
ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛЕЙ
Термическая обработка заключается в нагреве стали до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующего охлаждения до комнатной температуры или ниже с определенн
Отжиг стали
Отжигом называют вид термической обработки, при которой неравновесная структура стали, возникшая в результате литья, ковки, прокатки, сварки и т.п., превращается в структуру близкую к равнов
Нормализация стали
Нормализация является частным видом отжига II рода. При нормализации сталь нагревают на 50…70 °С выше точки АС3, выдерживают при этой температуре для прогрева садки и завершения ф
Закалка стали
Цель закалки – повышение твердости и прочности стали. Она заключается в нагреве до температуры выше критических точек, выдержке при этой температуре и быстрого охлаждения. Таким охлаждением предотв
Отпуск стали
Отпуск стали является заключительной технологической операцией, определяющей ее конечные свойства. Отпуск смягчает действие закалки, уменьшает или снимает остаточные напряжения, повышает вязкость и
ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ
Химико-термической обработкой называют технологические процессы, при которых происходит диффузионное насыщение поверхностного слоя деталей различными элементами. Целью химико-термической обр
Цементация стали
Цементацией (науглероживанием) называют такой вид химико-термической обработки, при котором происходит насыщение поверхностного слоя стали углеродом при нагреве в специальной среде – карбюри
Азотирование стали
Азотирование – это насыщение поверхностного слоя детали азотом. В результате этот слой приобретает высокую твердость, повышенную износостойкость и сопротивление некоторым агрессивным средам.
Нитроцементация и цианирование сталей
Нитроцементация и цианирование – насыщение поверхностного слоя изделий одновременно углеродом и азотом. Если оно проводится в жидких цианистых солях, что процесс называют цианирова
Диффузионная металлизация
Диффузионная металлизация – это процесс поверхностного насыщения стали металлами. Насыщение алюминием называется алитированием, хромом – хромированием, кремнием – силицированием, титаном – т
Свойства огнеупоров
При сооружении различных нагревательных устройств применяют огнеупорные материалы, которые должны защищать конструкцию от длительного воздействия высоких температ
Огнеупорные изделия
Кремнеземистые огнеупоры
К кремнеземистым огнеупорам относятся динасовые (SiO2 ≥ 93 %) и кварцевые (SiO2 > 85 %). С
Огнеупорные бетоны, торкрет-массы, мертели
Огнеупорные бетонные массы (бетоны), состоят из огнеупорного заполнителя, вяжущего вещества, добавок и пор, затвердевающих при нормальной или повышенной те
Свойства теплоизоляционных материалов
Теплоизоляционные материалы служат для уменьшения теплопотерь в окружающую среду в различных теплотехнических устройствах. Эти материалы должны обладать малой теплопроводно
Естественные теплоизоляционные материалы
Диатомиты и трепелы – пористые осадочные горные породы, состоящие в основном из аморфного кремнезема (SiO2). В диатомитах содержится 90…95 % SiO2, трепе
Искусственные теплоизоляционные материалы
К искусственным теплоизоляционным материалам относятся пористые легковесные огнеупоры и различные волокнистые материалы. Для средне- и высокотемпературных огнетехнических установок
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Материаловедение: учебное пособие/ М.А. Смирнов, К.Ю. Окишев, Х.М. Ибрагимов, Ю.Д. Корягин. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2005. – Ч. I. – 139 с.
2. Лахтин, Ю.М. Материалове
Новости и инфо для студентов