Процес кристалізації металу
1. Параметри процесу кристалізації, і їх вплив на величину
зерна кристалізується металу
Будь-яка речовина може перебувати в трьох агрегатних станах - газоподібному, рідкому і твердому. Зміна агрегатного стану відбувається за певних температурах. Температура переходу залежить від тиску, але при постійному тиску вони цілком певні. Перехід металу з рідкого стану в твердий з утворенням кристалічної структури називається первинною кристалізацією. Плавлення - процес, зворотний кристалізації. p align="justify"> У природі все мимовільно протікають перетворення (кристалізація і плавлення) обумовлені тим, що нові стану в нових умовах є енергетично більш стійкими, володіють меншим запасом енергії.
Енергетичне стан системи, що має величезне число охоплених тепловим рухом частинок (атомів, молекул), характеризується особливою термодинамічної функцією F, званої вільної енергією. В умовах постійного тиску:
= U-TS, 1
де - U - внутрішня енергія системи (речовини) - повна енергія, що дорівнює сумі кінетичної і потенційної енергії частинок, що складають дану систему;
Т -
Чим більше вільної енергії системи, тим система менш стійка. Зі зміною зовнішніх умов вільна енергія системи змінюється по складному закону, але різному для рідкого і кристалічного станів. Схематичний характер зміни вільної енергії рідкого і твердого станів залежно від температури показаний на рис. 1. <В
Рис.1. Зміна вільної енергії рідкого (1) і кристалічного (2) станів в залежності від температури
З графіка видно, що при температурі Тs вільні енергії рідкого і твердого станів рівні, метал знаходиться в рівновазі. Тs - рівноважна або теоретична температура кристалізації, при якій Fж = Fтв. Для початку кристалізації необхідно зменшення вільної енергії системи. Охолодження рідини нижче рівноважної температури кристалізації називається переохолодженням. Різниця між рівноважної Тs і реальною Тк температурою кристалізації називається ступенем переохолодження? Т. Ступінь переохолодження залежить від природи металу, вона збільшується з підвищенням частоти металу і зростанням швидкості охолодження. Процес переходу металу з рідкого стану в кристалічний можна зобразити кривими в координатах В«час-температураВ» (рис. 2). br/>В
Рис. 2 Криві охолодження при кристалізації
Охолодження металу в рідкому стані супроводжується плавним зниженням температури. При досягненні температури кристалізації на кривій В«температура-времяВ» з'являється горизонтальна майданчик, оскільки відвід тепла компенсується що виділяється при кристалізації прихованою теплотою кристалізації. Рідкий метал має більшу внутрішньою енергією, ніж твердий, тому при кристалізації виділяється теплота. По закінченні кристалізації, температура знову починає знижуватися і тверда кристалічна речовина охолоджується. У міру розвитку процесу кристалізації в ньому бере участь все більше і більше число кристалів. Тому процес спочатку прискорюється, поки в якийсь момент взаємне зіткнення зростаючих кристалів це не починає помітно перешкоджати їх росту; зростання кристалів сповільнюється. Тим більше, що і рідини, в якій утворюються нові кристали, стає все менше. p align="justify"> У процесі кристалізації, поки кристал оточений рідиною, він має правильну форму, але при зіткненні і зрощенні кристалів їх правильна форма порушується, зовнішня форма виявляється в залежності від умов зіткнення зростаючих кристалів. Кристали неправильної форми називаються кристаллитами або зернами. Швидкість процесу та остаточний розмір кристалів при затвердінні визначається співвідношенням між швидкістю утворення центрів кристалізації і швидкістю росту кристалів (рис. 3.). br/>В
Рис. 3. Зміна швидкості утворення зародків Vз і швидкості росту кристалів Vр залежно від ступеня переохолодження? Т
При невеликих ступенях переохолодження, коли зародок критичного розміру великий, а швидкість утворення зародків мала, при затвердінні утвориться крупнокрісталліческая структура. Чим більше ступінь переохолодження, тим більше центрів кристалізації і менше розмір зерна. Чим дрібніше зерно, тим вище механічні властивості сплаву. p align="justify"> Невеликі ступені переохолодження досягаються при заливці рідкого металу у форму з низькою теплопровідністю (земляна, шамотовий) або в підігріту металеву форму. Збільшення переохолодження відбувається при заливці рідкого металу у холодні металеві форми, а також при зменшенні товщини стінок виливків. Оскільки при цьому швидкість утворення зародків збільшується більш інтенсивно, ніж швидкість...
