1. Опишіть умови отримання дрібнозернистої структури при мимовільної розвивається кристалізації (використовуючи теорію Таммана)
Кристалізація - це процес переходу металу з рідкого стану в твердий з утворенням кристалічної структури. У природі все мимовільно протікають перетворення, кристалізація і плавлення обумовлені тим, що новий стан в нових умовах є енергетично більш стійким, володіє меншим запасом енергії.
Перехід металу з рідкого або пароподібного стану в твердий з утворенням кристалічної структури називається первинною кристалізацією. Утворення нових кристалів у твердому кристалічному речовині називається вторинною кристалізацією. Процес кристалізації складається з двох одночасно йдуть процесів зародження і росту кристалів. Кристали можуть зароджуватися мимовільно - мимовільна кристалізація або рости на наявних готових центрах кристалізації - несамопроізвольное кристалізація.
Чим більше ступінь переохолодження, понижающая вільну енергію металу, тим менше критичний розмір зародка.
Кристали з неправильною формою називаються зернами або кристалами. Тверді тіла, в тому числі і метали, що складаються з великої кількості зерен, називають полікристалічний.
Д.В. Черновим встановлено, що процес кристалізації складається з двох елементарних процесів: зародження центрів кристалізації і росту кристалів з цих центрів. Набагато пізніше Тамман, вивчаючи процес кристалізації, встановив залежність числа центрів кристалізації і швидкості росту кристалів від ступеня переохолодження.
Поки що утворилися кристали ростуть вільно, вони мають більш-менш правильну геометричну форму. Однак при зіткненні зростаючих кристалів їх правильна форма порушується, тому що в цих ділянках зростання граней припиняється. Зростання триває в тих напрямках, де є вільний доступ живильної рідини. У результаті зростаючі кристали, що мають спочатку геометрично правильну форму, після затвердіння отримують неправильну зовнішню форму і тому називаються кристаллитами або зернами.
Зростання зародків відбувається в результаті переходу атомів з переохолодженої рідини до кристалів. Кристал зростає пошарово, кожен шар має одноатомну товщину.
Малюнок 1 - Швидкість росту кристалів (с. к.) і швидкість зародження центрів кристалізації (ч. ц.) залежно від ступеня переохолодження
Кількість зароджуються в одиницю часу кристалів, які в подальшому позначаються буквами ч. ц., має розмірність 1/мм 3? з (число центрів кристалізації, що виникли в 1 мм 3 за одну секунду). Швидкість росту кристалів, що позначається надалі через с.к., є швидкість збільшення лінійних розмірів кристала, виражена в міліметрах в одиницю часу. Розмірність цієї величини - мм/с; мм/хв.
Досліджуючи кристалізацію прозорих органічних речовин при різних температурах, Г. Тамман встановив, що ч.ц. і с.к. визначаються ступенем переохолодження. Графічно зміни величини ч.ц. і с.к. в залежність від переохолодження представлені на рис. 1. Залежність ч.ц. і с.к. залежно від переохолодження виражається кривою максимумом. При теоретичної температурі кристалізації (n=0) значення с.к. і ч.ц. дорівнюють нулю і процес кристалізації йти не може, що знаходиться в повній відповідності з положенням про необхідність переохолодження для протікання процесу. Зі збільшенням переохолодження значення с.к. і ч.ц. зростають, досягають максимуму і потім знижуються; при великих величинах переохолодження практично падають до нуля.
Збільшення с.к. і ч.ц. при малих ступенях переохолодження обумовлено тим, що поблизу рівноважної точки (TS) рухливість атомів велика і прискорення кристалізації зі збільшенням ступеня переохолодження викликається збільшенням різниці вільних енергій рідкого і кристалічного станів. Зниження с.к. і ч.ц. при великих ступенях переохолодження викликано тим, що при великих переохолодженнях і, отже, при низьких температурах рухливість атомів зменшена, а тим самим зменшена і здатність системи до перетворення. При великих ступенях переохолодження с.к. і ч.ц. стають рівними нулю, так як рухливість атомів вже недостатня для того, щоб здійснилася престройка їх з хаотичного розташування в рідині і правильне в кристалі.
Оптимальними умовами отримання дрібнозернистої структури є: максимальне число центрів кристалізації і мала швидкість росту кристалів.
Розмір зерен, що утворюються в процесі кристалізації від числа частинок нерозчинних домішок, завжди наявних у рідкому металі, які грають роль готових центрів кристалізації. Такими частинками можуть бути оксиди, нітриди, сульфіди. Центрами кристалізації в металі або сплаві можуть бути тверді частинки, які мають невелику різницю в розмірах атомів з ато...
