ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ И МЕХАНИЗМ ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ И МЕХАНИЗМ ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

• Механизм энергетических условий и процесса кристаллизации Твердые металлы имеют кристаллическую структуру. Кристаллы характеризуются наличием дальнего порядка в расположении атомов. То есть кристалл имеет строго определенное геометрически правильное расположение атомов, которое наблюдается на любом расстоянии 01 от любого atom. So …

При расплавлении кристалла нарушается дальний порядок, а для атома формируется ближний порядок. То есть расплав сохраняет определенную степень упорядоченности только в окрестности произвольно выбранного атома, причем степень упорядоченности быстро уменьшается с расстоянием от этого атома.

Таким образом, переход из кристаллической жидкости в твердое состояние заключается в установлении дальнего порядка в расположении атомов. Людмила Фирмаль

Переход из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллической структуры называется первичной кристаллизацией. На рисунке показано изменение свободной энергии металла в жидком и твердом состоянии в зависимости от температуры. 8. Система, состоящая из большого количества атомов, стремится к такому состоянию. Это соответствует минимуму ^ свободной энергии при заданных условиях.

Если вещество может существовать в жидкой и твердой кристаллической формах, то фаза с низкими значениями свободной энергии будет стабильной в этих условиях При температурах выше равновесной температуры плавления 7пл свободная энергия жидкой фазы уменьшается、 Рисунок 8.Изменение свободной энергии металла в жидком СЖ и твердом gt состояниях переходит в твердую фазу в зависимости от температуры этой температуры. При температуре 7 ′ pl обе фазы могут существовать одновременно. Процесс кристаллизации при этой температуре все равно начинается с ns. Происходит только тогда, когда металл переохлаждается ниже равновесной температуры Т».

• Разница между температурой ТМ и ТКР называется степенью переохлаждения. Чем выше степень переохлаждения D7′, тем больше разница в свободной энергии BS и тем выше кристаллизация rate. At при температуре, близкой к температуре плавления, возможна небольшая группа жидких металлов, упакованных атомами, как и твердые металлы. Такие группы называются фазовыми флуктуациями. Фазовая флуктуация, которая больше критического размера и может расти за счет присоединения атомов из жидкого расплава к себе, называется ядром или центром кристаллизации.

Критические флуктуации меньшего размера не могут расти и являются нестабильными и растворяются в жидкой фазе. Если предположить, что зародыш имеет форму куба с ребром а, то его критический размер, который может вырасти, определяется: ЛР-4О / Д6 \ Где o-поверхностное натяжение. Чем ниже температура кристаллизации, тем меньше критический размер ядра, количество центров кристаллизации, образующихся за единицу времени(гл.) Увеличивает скорость кристаллизации(С.) Будет увеличиваться.

Процесс кристаллизации начинается с образования кристаллического ядра и продолжается процессом увеличения его количества и размеров. Людмила Фирмаль

Образовавшиеся кристаллы растут свободно, но имеют более или менее правильную геометрическую форму. Однако при столкновении нарушается правильная форма, так как рост лица прекращается в этих областях. Рост продолжается только в тех районах, где есть свободный доступ к»кормлению» liquid. As в результате образуются структуры в кристаллах неправильной формы за счет кристаллических зерен или микрокристаллов. При прочих равных условиях скорость процесса кристаллизации и структура металла зависят от количества центров кристаллизации (мм3•с-1) и их линейной скорости роста (мм / С), которые происходят в единицу времени и в единице объема.

Схема кристаллизации показана на рисунке. 9. Г. Тамман установил зависимость числа центров кристаллизации и степени переохлаждения от скорости роста кристалла (рис.10). Рисунок 9.Схема кристаллизации металла Степень переохлаждения (DT) Рисунок 10.Скорость роста кристаллов и скорость зарождения нейтронной кристаллизации, соответствующие степени переохлаждения При DT » * 0 процесс кристаллизации не протекает, а скорость зарождения и роста равна нулю. При использовании ДТ-число центров кристаллизации невелико, а скорость роста максимальна, при этом структура металла становится крупнозернистой. При DT = b число центров является наибольшим, а скорость роста невелика.

Структура металла мелкозернистая. Если степень переохлаждения DT c высока, то скорость кристаллизации и количество центров будут равны нулю. Подвижность атомов уже недостаточна для перестройки от хаотического расположения в жидкостях к правильному расположению в кристаллах. Структура металла аморфна. Получение аморфного металла(металлического стекла) требует скорости охлаждения в несколько миллионов градусов в секунду.

Такая скорость охлаждения достигается путем распыления небольшой капли жидкого металла на хорошо отполированную поверхность быстро вращающегося холодно-медного диска. Другой вариант-раскатать тонкую струю расплава между 2 огромными медными валками и расплющить каплю жидкости metal. In в этом случае вы получите тонкую ленту из аморфного металла толщиной до 60 мкм и шириной до 200 мкм или проволоку диаметром до 0,5〜20 мкм. При нагревании аморфный металл может реализовать свое стремление к кристаллизации, и благодаря достаточной подвижности атомов образуется кристаллическая структура.

Аморфные металлы обладают многими уникальными свойствами благодаря отсутствию дефектов границ зерен и кристаллических структур (например, дислокаций).Своя прочность превышает самую высокую сталь сплава (-3000 MPa), и высокая твердость определяет свое превосходное сопротивление износа. Правда, пластичность аморфных металлов невысока, но выше, чем у обычного стекла. Например, его можно раскатать при комнатной температуре. Еще одним главным преимуществом является очень высокая коррозия resistance. In многие очень агрессивные среды (морская вода, кислоты)его вообще не разъедают].

Аморфные сплавы на основе ферромагнитных металлов(железа, никеля) также являются ферромагнитными, их электрическое сопротивление значительно выше, чем у кристаллов (обычно в 2-3 раза).Наиболее легко аморфным состоянием является сплав Al, Pb. Неметаллические или полуметаллические элементы (C, P, Si, B, As, S и др.) добавляют для получения металлического стекла на основе Sn, Ni, Co, Fe, Mn и Cr. Например, аморфный сплав на основе железа-FC80B20. FeaoPisC, GeedSgvMoV^; основание никеля-Ni ^ Pt * N ^ $ 20- Перспектива практического применения аморфного состояния металла выглядит еще более впечатляюще, несмотря на то, что аморфизация поверхностного слоя шнуровки массивного изделия уже создана.

При воздействии на поверхность изделия сильного лазерного или электронного луча очень тонкий внешний слой может расплавиться за короткое время. Это происходит потому, что после воздействия тепло отводится на толщину холодного металла и поэтому охлаждается с огромной скоростью. Поэтому обычный кристаллический металл, скорее всего, сможет надежно защитить от износа и коррозии.

Смотрите также:

Предмет материаловедение

Строении металлического слитка	Полиморфные превращения
Модификаторы	Строение реальных металлов