Кристаллизация металлов схема и процесс

Кристаллизация металлов

• Кристаллизация металла Энергетические условия кристаллизации любое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Переход из одного состояния в другое происходит при определенной температуре, называемой температурой плавления, кристаллизации, кипения или сублимации. 40 этот переход осуществляется при определенных условиях (температура и давление). При атмосферном давлении, которое характерно для большинства производственных процессов, основным параметром перехода является температура.

В газах нет никакой регулярности в расположении частиц, частицы движутся хаотично, и газы стремятся занять как можно больший объем. Твердые кристаллические тела имеют правильную структуру, в которой атомы и ионы находятся в узлах кристаллической решетки (так называемый ближний порядок), а отдельные ячейки и блоки находятся определенным образом относительно друг друга. В жидкости определенная ориентация приходится не на весь объем, а на относительно устойчивую группу или небольшое число атомов, образующих флуктуации. При понижении температуры стабильность колебаний возрастает,

что свидетельствует о способности расти. Таким образом, жидкость характеризуется только близким порядком атомов. Людмила Фирмаль

По мере повышения температуры твердого тела подвижность атомов в узле решетки увеличивается, амплитуда колебаний увеличивается, и при достижении определенной температуры, называемой температурой плавления, температура плавления атома из узла является важной константой, и информация о ней содержится во всех справочниках: ртуть-38,9, температура плавления до температуры плавления нержавеющей стали 3410°C При охлаждении жидкости с последующим затвердеванием наблюдается обратная картина. При охлаждении жидкости, наоборот, подвижность атома уменьшается, и атом образуется ближе к точке плавления атома, заполняя его подобно кристаллу.

Эти группы являются центрами кристаллизации или зародышем, который впоследствии увеличивает слой кристаллов. При достижении температуры плавления-затвердевания кристаллическая решетка вновь формируется, и металл доводится до твердого состояния. Переход металлов из жидкого состояния в твердое при определенной температуре называется кристаллизацией. Рассмотрены термодинамические условия кристаллизации. Энергетическое состояние любой системы складывается из энергии движения молекул, атомов, электронов, ядерной энергии, энергии упругого изгиба кристаллической решетки и других видов энергии. Харрис 1.21 неравновесные (1), метастабильные (2)и стабильные (3)Положения шариков Свободная энергия — это такая составляющая внутренней энергии, которая может быть преобразована в работу в изотермических условиях.

• Свободная энергия изменяет свое значение за счет изменения температуры, плавления, полиморфных превращений и др.:F=U-TS, где F-свободная энергия, U-полная внутренняя энергия системы, T-температура, S-энтропия. Согласно второму закону термодинамики, каждая система стремится к минимуму свободной энергии. Самопроизвольно текущий процесс идет только в том случае, если новое состояние более стабильно, то есть запас свободной энергии меньше. Например, шар стремится скатиться вниз по наклонной плоскости, уменьшая при этом свою свободную энергию. Естественно, самопроизвольный возврат шара с наклонной плоскостью вверх невозможен, так как он увеличивает свободную энергию(рис. 1.21). Процесс кристаллизации подчиняется тем же законам.

Металл затвердевает, когда твердое тело имеет меньше свободной энергии и когда жидкое состояние имеет меньше свободной энергии. Изменение свободной энергии жидкости и твердого тела с изменением температуры показано на рисунке. 1.22 при повышении температуры величина свободной энергии обоих состояний уменьшается, но закон изменения свободной энергии изменяется в зависимости от жидкого состояния вещества и состояния твердого тела. Существуют теоретические и практические температуры кристаллизации. Ts-это теория RJ=Fn или равновесной температуры кристаллизации. При такой температуре Рав- ТПЛ ТКР Присутствие металлов как в жидком, так и в твердом состоянии маловероятно.

Фактическая кристаллизация начинается только в том случае, если этот процесс термодинамически благоприятен для системы DR=RZh-RTV, что требует переохлаждения. Людмила Фирмаль

Температура, при которой фактически происходит кристаллизация, называется Рис 1.22 влияние температуры на изменение энергии Гельмгольца F (свободная энергия) жидких и твердых металлов Ирис 1.23 кривая температуры кристаллизации металла с различными скоростями охлаждения Фактическая температура кристаллизации T. разность между теоретической и фактической температурами кристаллизации называется степенью переохлаждения: at=Ts-TKR. Чем больше степень переохлаждения, тем больше разница в свободной энергии AR, тем сильнее происходит кристаллизация. На диаграмме показаны тепловые кривые, характеризующие процесс охлаждения при различных скоростях. Степень переохлаждения мала и происходит при температуре, близкой к равновесию кристаллизации, с постепенным охлаждением, соответствующим кривой 1.23..

Горизонтальная область на тепловой кривой объясняется выделением скрытой теплоты кристаллизации, которая компенсирует тепловыделение. По мере увеличения скорости охлаждения (кривые v2, v3) степень переохлаждения возрастает, и процесс кристаллизации протекает при постоянно понижающейся температуре. Помимо скорости охлаждения, степень переохлаждения зависит от чистоты металла. Чем чище металл, тем выше степень переохлаждения. Поскольку переохлаждение до фактической температуры кристаллизации необходимо во время затвердевания, перегрев происходит во время плавления до тех пор, пока не будет достигнута фактическая температура плавления. Д. К. 

Даже в Черновцах процесс кристаллизации состоит из 1)зарождения центров кристаллизации;2) роста кристаллов из этих центров. При температуре, близкой к температуре затвердевания, в жидком металле образуется небольшая группа атомов, называемых колебаниями, и атомы заполняются таким же образом, как и твердые кристаллы. Из некоторых таких колебаний образуются зародыши, или центры кристаллизации. По мере увеличения степени переохлаждения увеличивается число центров кристаллизации, образующихся за единицу времени. Кристаллы начинают расти вокруг образовавшихся центров кристаллизации. В то же время в жидкой фазе образуется новый центр кристаллизации. Увеличение общей массы затвердевшего металла происходит за счет появления новых центров кристаллизации и роста существующих.

Схема последовательных стадий процесса коагуляции показана на рисунке. 1.24, а-Г. 43A5 рисунок. 1.24 схема кристаллизации металла — *Х0 Четыре.- Х: 8г Взаимный рост кристаллов объясняет неправильную форму частиц. Настоящие твердые кристаллы неправильной формы называются кристаллитами. Скорость полной кристаллизации зависит от хода обоих элементарных процессов. Она определяется скоростью зарождения центров кристаллизации (NW) и скоростью роста (CP) кристаллов из этих центров(рис. 1.25). Величины СЗ и СР зависят от степени переохлаждения. При равновесной температуре=0 и Sz=O, CP=0. С увеличением Ат разница в свободной энергии AR=RZh-RTV увеличивается, растет с хорошей степенью подвижности атомов Sz и CP и достигает максимума. Последующее уменьшение Sz и CP объясняется уменьшением подвижности атома с уменьшением температуры.

При низких значениях коэффициента диффузии перегруппировка атомов жидкости в твердую кристаллическую решетку затруднена. При очень сильном переохлаждении NW и CP равны нулю, жидкость не кристаллизуется, а превращается в аморфное тело. В реальных металлах, как правило, реализуются только восходящие ветви кривых NW и SR, а с ростом at скорость обоих процессов возрастает. Ранее, если аморфное состояние достигалось только для солей, силикатов, органических веществ, то с помощью специальной технологии можно добиться высокой скорости охлаждения (более 106°С/С) и высокой температуры стекла металла.

Металл в стеклянном состоянии характеризуется особыми физико-механическими свойствами. Ядрами кристаллизации могут быть основные металлы, примеси, колебания в атомах различных твердых тел. Первый- Т. » Степень переохлаждения — это температура В одних случаях образуется однородный эмбрион, в других-гетерогенный. Возникновение однородного центра кристаллизации требует значительных энергозатрат. Для того чтобы эмбрион обладал достаточной термодинамической и физической силой, необходимо соответствовать- Рис 1.25 влияние степени переохлаждения на нуклеацию и скорость роста кристаллов Ирис 1.26, энергия Гельмгольца изменяется в зависимости от размера эмбриона В случае критического размера ГК.

Изменение свободной энергии при равномерном зарождении центров кристаллизации описывается формулой AF=-4/Zpg3&.ФГ++4lg2st, где\ФГ является изменение свободной энергии объема, и является свободной поверхностной энергии. Энергия, определяемая приведенной зависимостью, включает в себя затраты на появление зародыша и формирование интерфейса. Изменение энергии отрицательно, если процесс кристаллизации происходит при уменьшении свободной энергии, и положительно, если энергия системы увеличивается. Графически эта связь имеет вид, показанный на рисунке. Если зародыш 1,26 G0, если g=GK, так как AF положительна и ее значение увеличивается.

Размер зародыша g>ha, когда его роль в процессе кристаллизации становится определяющей, в это время DG<0. Это подразумевает инициирование процесса спонтанной кристаллизации. Размер зерна зависит от соотношения нуклеации и скорости генерации. При низком переохлаждении, например, при инжекции металла в форму с низкой теплопроводностью или нагревательную форму, скорость роста быстрая, скорость зарождения относительно мала. В этом случае в объеме образуется относительно небольшое количество крупных кристаллов.

С увеличением Ат в случае заливки жидкого металла в холодную металлическую форму скорость зарождения возрастает, и образуется большое количество мелких кристаллов. Размер частиц определяется не только степенью переохлаждения. Важную роль играет нагрев металла и температура отливки, ее химический состав, в частности, наличие примесей. В практических условиях самопроизвольное образование кристаллов в жидких металлах затруднено. Источниками образования зародыша являются различные твердые частицы, такие как неметаллические включения, оксиды, продукты раскисления. Чем больше примесей, тем больше Центр, тем лучше зерно. Иногда в металлы специально вводимые вещества при кристаллизации способствуют измельчению зерен. Эта операция называется изменением.

С введением магниевого сплава зерна магния 45 минут 1.27 дендритная кристаллическая фигура (Д. К. Для Чернова) Он уменьшается более чем в 10 раз: от 0,2-0,3 мм до 0,01-0,02 мм. В кристаллизации реальных слитков и отливок направление тепловыделения играет важную роль. Кристаллизация начинается со стенок кристаллизатора или пресс-формы. В направлении рассеивания тепла, то есть перпендикулярно стенке кристаллизатора, кристаллы растут быстрее, чем в другом направлении. В этом случае формируется первичная ось. При этом по краям их находятся начало и рост перпендикулярной им оси вторичной, затем третьей, etc. as в результате образуются разветвленные дендриты, называемые дендритами(рис. 1.27).

Так как при затвердевании происходит так называемая селективная кристаллизация, то есть, прежде всего, границы зерен более обогащаются примесями, так как затвердевает более чистый металл. Неоднородность химического состава в дендритах называется разжижением дендритов. В большей степени, чем другие элементы, углерод, сера, фосфор подвержены разжижению. Структура слитка тихой стали раковина усадка частиц (дендритов), получаемых в стальных слитках, может иметь различные формы, размеры и ориентации. Структура стального слитка восходит к 1878 году. К. впервые описан Черновым. Схема структуры слитка из нержавеющей стали показана на рисунке. 1.28 структура слитка состоит из внешней мелкозернистой зоны I, зоны 11 столбчатых кристаллов и зоны 111 равноосных кристаллов.

Внешняя тонкая область состоит из мелких кристаллов, которые не ориентированы в пространстве. Рис 1.28 структура слитка и образование стали вызвано резким перепадом температур: холодная стенка жидкого металла-мельница. Металл в этой зоне сильно переохлаждается, образуется большое количество кристаллических центров, которые приобретают мелкозернистую структуру. После образования кортикальной зоны изменяется состояние теплоотвода, уменьшается градиент температуры соседних слоев жидкого металла, уменьшается степень переохлаждения. В результате направления отвода тепла от относительно небольшого числа центров кристаллизации, то есть перпендикулярно стенкам кристаллизатора, столбчатые кристаллы начинают расти, образуя вторую зону.

Их развитие сбоку подавляется соседними дендритами. Третья зона-зона равноосных кристаллов. В центре слитка отсутствует удельное направление тепловыделения. Здесь бактерии обычно представляют собой различные мелкие твердые частицы, которые выталкиваются в центр слитка во время кристаллизации. Очень важно относительное распределение столбчатых и равноосных зон в объеме слитка. В зоне столбчатых кристаллов металл более плотный, но на стыке он имеет мало прочности. Кристаллизация, в которой соединяются зоны столбчатых кристаллов, называется транскрипционной кристаллизацией.

Для цветных металлов токарная обработка полезна, так как металл становится плотнее, а его высокие пластические трещины не образуются при деформации. Поскольку иногда трещины образуются на стыке двух кристаллов во время деформации, переходная кристаллизация стали нежелательна. Основными дефектами слитков являются усадка оболочки, усадочная пористость и разжижение. Усадочная пористость обычно формируется вблизи усадочной оболочки и вдоль оси слитка. Образование усадочных оболочек и усадочной пористости обусловлено тем, что все металлы, кроме висмута, имеют меньший удельный объем в твердом состоянии, чем в жидком.

Смотрите также:

Методические указания по материаловедению

Свойства металлов и сплавов	Кристаллическое строение металлов
Упругая и пластическая деформация	Дефекты строения кристаллических тел