Оглавление:
Затвердевание металлических материалов. Термические кривые охлаждения при кристаллизации металлов.
- Упрочнение металлических материалов. Кривые охлаждения при кристаллизации металлов. Кристаллизация представляет собой переход из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллической решетки или crystal.
In в реальном металлическом теле кристаллизация расплава заканчивается образованием сложной переплетенной структуры кристаллов-дендритов. Их форма определяет свойства материала. При образовании кристаллов их развитие протекает преимущественно в направлении, перпендикулярном плоскости при максимальной плотности заполнения атома.
Это приводит к тому, что сначала образуется длинная ветвь, так называемая первичная ось. Людмила Фирмаль
В то же время, как расширение 1-й оси, та же 2-я ветвь перпендикулярно им возникает и растет на edge. In поверните, 3-я ось растет в них. Образуются дендритные древовидные кристаллы. Основной рост кристаллов происходит в направлении рассеивания тепла. Дендритные ветви разделены небольшими полостями и порами за счет очень тонкого слоя примесей, нерастворимых в жидкости, особенно твердой, и уменьшения объема при переходе металла из жидкого состояния в твердое.
С tmetelt определенным для каждого металла, твердый металл поворачивает в a liquid. At в то же время, многие свойства меняются незначительно. Например, плотность уменьшается на 5-7%, увеличивается электрическая и теплопроводность. Природа внутренних сил не меняется. Металлическая жидкость-это структура, близкая к твердому телу. Кристаллическая решетка поддерживается до момента ее плавления. После плавления, решетка разрушается, но динамический ближний порядок сохраняется. Отверждение происходит при температуре tzatv и меньше tpl.
- Происходит переохлаждение и перегрев фигуры. 6. Рисунок 6.Рисунок 7.Рисунок 8 Рисунок 6.Изменение свободной энергии F металла в жидком (f g) и твердом состоянии (F t) в зависимости от температуры T. Рисунок 7.Кривая охлаждения получена при кристаллизации металлов. Рисунок 8.Обсуждается зависимость скорости образования Центра n и скорости роста кристаллов C от переохлаждения. 9. При температуре Tn свободная энергия жидкого и твердого состояний равна. Процесс кристаллизации протекает при температурах ниже Tp. To для начала затвердевания необходимо переохлаждение (разность энергий).
Чем выше степень переохлаждения, тем больше скорость изменения температуры рис. 7.. В 1878 году русский ученый-металлург Д. Чернов установил, что процесс кристаллизации состоит из 2 основных процессов. Нуклеация центров (скорость-N-1 * см-3) и рост кристаллов (скорость-C см сек-1). установлено, что N и C зависят от переохлаждения. 8.Это определяет степень детализации: 3/4 N = a (C / n) (3） N-степень детализации. Коэффициент » а » равен почти 1. В самом деле, кривые N и C расположены друг относительно друга так, что
чем больше переохлаждение, тем мельче кристаллы, тем больше скорость охлаждения, тем мельче кристаллы. Людмила Фирмаль
Падающие ветви кривой экспериментально не наблюдаются, поэтому их рисуют пунктирной линией. Критический размер ядра первичного Кристалла определяется следующим уравнением. Rk =(4×) / fÅ(4） Где η-поверхностное натяжение. fÅ-это разность между объемной свободной энергией жидких и твердых металлов. Примечание: F. 4.Эффективная при малых значениях nucle нуклеация требует энергии, равной 3 мин 1 от ее поверхностной энергии. Уменьшение объема свободной энергии при миграции атомов в кристаллическое тело является недостаточным для зарождения. Нуклеации способствует неравномерное распределение энергии между атомами, то есть колебания.
При температурах, близких к ТМ, размер критического ядра очень велик, и вероятность его образования должна быть small. As степень переохлаждения возрастает, fÅ увеличивается(см. рис. 6), а поверхностное натяжение на границах фаз существенно не изменяется. Чем больше¤, тем меньше Rk. Если степень переохлаждения низкая (скорость охлаждения медленная), то количество ядер будет небольшим. В этих условиях крупные зерна являются obtained. As степень переохлаждения увеличивается, процент нуклеации увеличивается, а размер частиц затвердевшего металла уменьшается.
Размер частиц влияет на свойства, особенно вязкость. Вязкость значительно выше для металлов с мелкими частицами. Примените правило фазы. Чаще всего в технологии используются металлические материалы-сплавы. Сплав-это вещество, полученное сплавлением нескольких (2 или более) элементов, которые в основном являются металлами. Структура сплава более сложная, чем у чистых металлов. В сплавах могут наблюдаться зерна чистых металлов и других компонентов Твердые растворы и соединения.
Твердым раствором называют сплав, в котором ионы растворенных элементов находятся в кристаллической решетке растворителя. Твердый раствор классифицируется на 3 типа твердых растворов на основе замещения, включения, вычитания или соединения. Есть также заказанные твердые растворы. 10. Совокупность всех сплавов, которые могут состоять из данного компонента, называется системой сплавов. Фазы представляют собой однородные части системы с одинаковым составом, одинаковым агрегатным состоянием и отделены от других частей системы поверхностью раздела. Фаза может быть газом, жидкостью или твердым веществом. В сплаве может быть несколько фаз.
Вещества, входящие в состав системы, называются компонентами. Число степеней свободы системы (изменчивость) — это число внешних и внутренних факторов (t, P и концентрация C%), которые могут изменяться без изменения числа фаз в системе. system. It определяется по правилам фазы. ф = п-к + 2(5） Где f-число степеней свободы. n — количество компонентов. K — количество фаз. Если давление не учитывается: f = n-K + 1 для того, чтобы рассчитать количество фаз в определенном термодинамическом состоянии, правило фазы применяется для анализа процессов, происходящих в сплавах при нагреве и охлаждении. Рисунок 9.Рисунок для применения правил фазы. Факторы, влияющие на процесс кристаллизации. Риформинг жидкого металла. Кристаллизация происходит с образованием теплового эффекта.
Степень детализации зависит от его размера. РК = [4 ** * ТС / М] /¤(6） Где Q-тепловой эффект затвердевания на единицу объема. Ts-температура затвердевания. Эта формула применима к равномерной кристаллизации. Теоретическое число центров кристаллизации значительно меньше, чем число реально образованных ядер. Это связано с наличием примесей в расплаве. Неравномерная кристаллизация происходит с примесями. Схема кристаллизации примесей показана на рисунке. 10. Рисунок 10.Схема кристаллизации примесей. Рисунок b1-поверхностное натяжение примесей. b2-поверхностное натяжение закаленных металлов. b3-поверхностное натяжение расплавленного металла. 11. Рост кристаллов происходит за счет послойного прикрепления атомов к ядру.
Обычно b1 больше b2, а-b1 + b2 меньше нуля, то есть с точки зрения энергии процесса кристаллизация примесей более благоприятна, чем самопроизвольная crystallization. In реальный процесс, примеси являются основными центрами кристаллизации. При перегреве расплавленного металла часть примесей растворяется, а другая часть дезактивируется. Количество центров и размер частиц могут быть изменены 4 способами.- Изменить скорость охлаждения и тем самым изменить величину переохлаждения. — Увеличение или уменьшение перегрева металла перед разливкой. — Ввести в жидкий металл мельчайшие нерастворимые примеси. — Уменьшает активные растворимые примеси, добавляя их к поверхностному натяжению.
Последние 2 способа выполняются в момент изменения, соответственно, гетерогенного и гомогенного. Изменения вносятся путем введения специальных добавок, образующих тугоплавкие соединения (карбиды, нитриды, оксиды). Процесс кристаллизации начинается со стенок пены и играет ту же роль, что и нерастворимые примеси. На поверхности слитка образуется слой мелких кристаллов, который трудно обрабатывать, но это снимается в Металлургическом процессе(lab. Work. No. см. 1). Аморфный материал и его применение. К аморфным материалам относятся стекла, изготовленные из неорганических веществ, металлов и многих пластмасс.
Аморфное состояние характеризуется отсутствием дальнего порядка в расположении атомов упаковки. Самое большое применение неорганического стекла. Основной химический состав конструкционного стекла: добавление диоксида кремния и алюминия, безводного бора, фосфора и диоксида металла-титана, ванадия и циркония. Среди материалов производства машины, безосколочное стекло, огнеупорное стекло, теплостойкое стекло и закаленное стекло наиболее широко used. In в отличие от других материалов, неорганическое стекло, полученное затвердеванием минеральных расплавов в результате непрерывного повышения вязкости, имеет макроскопическую изотропную аморфную структуру, в некоторой степени прозрачную и обладает механическими свойствами твердого тела.
Тонкое исследование структуры стекла показывает микро-однородную структуру стекла. Стекло не имеет определенной температуры плавления, по сравнению с кристаллическими веществами. При нагревании он постепенно становится мягким и переходит из твердого хрупкого состояния в очень вязкое, а затем в жидкое состояние(расплавленное стекло).При падении температуры вязкость стекла непрерывно возрастает, что приводит к обратному переходу в хрупкое твердое состояние. Рисунок 11.Температурная зависимость свойств стекла.
В диапазоне температур Tg-Tf характеристики стекла изменяются шаг за шагом. Стекло термодинамически новое. Устойчивая система. В ТГ стекло легко кристаллизуется. Химический состав стекла металла составлен элементов металла и аморфизируя агентов, используемых как бор, углерод, кремний, азот и другое В12 До 30%.Аморфное состояние металла достигается сверхбыстрым охлаждением из газообразного, жидкого или ионизированного состояния. Основным методом получения МС является закалка из жидкого состояния и фиксация структуры расплава.
Отличительной особенностью МС является сочетание высокой эластичности и высокой твердости и прочности. Например, обычное стекло обладает очень высокой твердостью и относительно низкой прочностью. MS можно проштемпелевать, отрезать и свернуть. Аморфное состояние МС метастабильно. (0,4–0,65) при температуре отжига выше Tm материал кристаллизуется. В большинстве случаев пластик представляет собой аморфное тело. Как и у неорганического стекла, также происходит изменение характеристик из-за температуры(рис.11). Есть 3 разных аморфных состояниях-стеклообразном, высокоэластическом, вязкая.2. температура, при которой свойства пластика резко меняются.
Tc-температура стеклования, а температура выше температуры вязкого жидкого состояния — TT. Пластичная масса кристаллизуется в процессе длительного отжига и деформационных процессов по механизму ориентации полимерной цепи или звена в одной плоскости или направлении. Аморфные материалы являются перспективными конструкционными материалами. МС используется при изготовлении пружин. Стекло-для изделий с оптическими свойствами. Пластик как конструкционный материал. Применение аморфных материалов в первую очередь ограничено их узким рабочим диапазоном и низкой температурой.
Полиморф металла. В зависимости от температуры, металлы и сплавы могут сосуществовать в различных кристаллических формах или в различных modifications. In полиморфные превращения, одна кристаллическая решетка сменяется другой. Полиморфные превращения происходят тогда, когда при определенной температуре могут существовать металлы с различными кристаллическими решетками и низким уровнем свободной энергии. Рисунок показан на фиг. 図１２は 、 純 純のとと金属の多形変態を示す。фигура Рисунок 12.Чистая кривая охлаждения металла (утюга). Полиморфная трансформация — это процесс кристаллизации, который осуществляется путем образования ядер и их последующего роста. Эмбриогенез следует принципу структурного и размерного соответствия.
Зерна новой фазы вырастают за границу фазы Майо за счет неупорядоченных и не связанных между собой переходов отдельных атомов (групп атомов), в результате чего границы нового зерна смещаются в сторону исходного зерна и поглощают его. Зародыш новой фазы происходит вдоль границ старого зерна или в зонах с повышенным уровнем свободной энергии. 13. Вновь образованные кристаллы ориентированы естественно относительно первого модифицированного crystals. As в результате полиморфных превращений образуются новые частицы, которые отличаются по размеру и форме. Происходит резкое изменение свойств материала. Полиморфное превращение также называют перекристаллизацией.
Если металл нагреть до температуры, несколько превышающей температуру полиморфного превращения (критическая точка), то получаются очень мелкие зерна. Это явление используется в практике термической обработки металлов. Жидкокристаллический. Жидкокристаллическое состояние представляет собой термодинамически стабильное агрегатное состояние, в котором материал сохраняет анизотропию физических свойств, присущих твердым кристаллам и свойствам течения жидкости.
Существует ряд преимущественно органических соединений с такими сложными свойствами. Например, производные ароматических эфиров-трансциклогексан, фенилбензоат; азот-Метин; АЗОСОЕДИНЕНИЯ и др. Жидкий кристалл имеет такое же преобразование элемента, которое не изменяет жидкое состояние. Трансформация наблюдается при воздействии электромагнитных полей, изменении температуры и давления, а также других физических воздействий. Их свойства изменяются поэтапно, а также в твердых телах. Жидкие кристаллы используются в качестве оптоэлектронных индикаторов и материалов композитных стеклянных структур, которые требуют резкого изменения оптических свойств системы под воздействием внешней среды.
Жидкокристаллическое состояние и его уникальные свойства обусловлены способностью одних органических молекул агрегироваться с другими, создавая частично упорядоченную структуру и sensing. In в практическом смысле особое место занимает нематический Жидкий Кристалл. Нематические жидкие кристаллы отличаются от других типов жидких кристаллов одноосным расположением, в котором молекулы расположены так, что их длинные оси параллельны друг другу.
Смотрите также:
Решения задач по материаловедению
