Сутність процесів кристалізації металів

Кристалізацією називають процес утворення кристалічних решіток при переході речовини з рідкого стану у твердий.

Процес кристалізації відбувається при певних температурах і зумовлюється тим, що при твердненні рідкий метал безперервно втрачає вільну енергію. Інтенсивність тверднення залежить від теплообмінних процесів між зливком і навколишнім середовищем та в самому зливку.

Енергетичний стан системи характеризується особливою термодинамічною функцією Е, яку називають вільною енергією.

F=u—Тs,

де u — внутрішня енергія системи; Т — абсолютна температура; s — ентропія.

Теоретична температура кристалізації характеризує стан рівноваги, при якому вільна енергія рідкого металу Ер і твердого металу Ехв між собою рівні.

Зміни вільної енергії рідкого і твердого стану залежно від температури показано на рис. 7.

7Щоб почалася кристалізація, необхідно створити такі умови, за яких процес

нормальному стані.

/ — зміна віль

супроводжувався б зменни, яка пере

стані, 2 — те

шенням вільної енергії системи. З рис. 7 видно, що це можливо тільки тоді, коли рідину буде охолоджено нижче від точки Т а, тобто при переохолодженні рідини.

Зворотний перехід з кристалічного в рідкий стан можливий тільки при перегріванні, тобто при нагріванні металу вище від температури

Різницю між теоретичною і фактичною температурами кристалізації називають ступенем переохолодження. На рис. 8 показано процес переходу речовини з рідкого стану в кристалічний. При охолодженні рідкого металу спад температури аж до критичної, яку визначають горизонтальною площадкою, має плавний характер. Плавність зниження температури рідкого металу пояснюється втратами тепла металом у навколишнє середовище, а поява горизонтальної площадки —компенсацією втраченого тепла, що забезпечується захованим теплом кристалізації.

жувасталізацп, ВИДНО, що 17

Після остаточного затверднення металу його температура знову плавно знижується. Крива 1 (рис. 8) характеризує теоретичний перебіг кристалізації, а крива 2— фактичний перебіг. Крива 3 характеризує процес кристалізації, який супроводжується бурхливим виділенням прихованого тепла плавлення при переохолодженні металу нижче точки Т. Внаслідок виділення великої кількості тепла, температура металу підвищується стрибкоподібно і наближається до теоретичної температуривши стилізації.

Для більшості металів практично важко^ температуру переохолодження в нормальної рез її незначну величину.

Ще у 1878 р. Д. К. Чернов визначг сталізації складається з двох тобто із зародження центрів кри$ сталів з цих центрів. Процеси _, лись Таманом, а пізніше, Бочв^юм^уні^м

На рис. 9 зображено мс

~~~

опрацьовану І. Л. Миркіниі протягом однієї секунди з'явилось п ять зародків кристалів. На кінець другої секунди з'явилось ще п'ять нових зародків кристалів тощо. На сьомій секунді процес кристалізації закінчується.

8

Дослідженням процесів кристалізації встановлено, що швидкість кристалізації визначається швидкістю зародження і росту центрів кристалів. На рис. 10 показано кінетичну криву кристалізації, а на рис. 11 — швидкість росту кристалів і числа центрів зародження кристалів в одиницю часу, яке залежить від ступеня переохолодження. При теоретичній температурі кристалізації значення швидкості кристалізації і числа центрів дорівнюють нулю. При переохолодженні ці значення зростають і на певному ступені переохолодження досягають максимуму.

При значному переохолодженні деяких речовин внаслідок зменшення рухливості атомів, зародження центрів кристалів та ріст їх стають рівними нулю.

Залежно від ступеня переохолодження будова затверділого металу може бути крупнокристалічною або дрібнокристалічною. За більшої кількості центрів і малої швидкості кристалізації маємо дрібнокристалічну будову, а за малої кількості центрів і великої швидкості кристалізації — крупнокристалічну. Якщо рідкий метал дуже переохолоджений і обидва вихідні значення кристалізації (число центрів і ріст кристалів) дорівнюють нулю, то рідина може залишитись незакристалізованою. Практично неможливо визначити такий ступінь переохолодження, за яким рідкий метал залишався б й у твердому стані незакристалізованим, оскільки він мало схильний до переохолодження. До речовин, найбільш схильних до переохолодження, відносять різні солі, силікати, органічні речовини.

Досягнення дрібнокристалічної будови металів, з яких виготовляють литі деталі, є важливим фактором технології ливарного виробництва. Регулюючи ступінь переохолодження у процесі застигання деталей, виготовлених з чавуну, сталі, силуміну, бронзи та ін., можна значно поліпшити якість литва.

Значну роль при твердненні відіграють домішки, які спеціально вводять у розплав або які потрапляють до нього при виплавленні металу. Незважаючи на їх незначну кількість (від тисячних до десятих часток процента) ці домішки істотно впливають на розмір та форму кристалітів. Домішки, які впливають на структуру кристалітів, називають модифікаторами.

9

За механізмом дії на кристалізацію модифікатори поділяють на дві групи. До першої групи відносять дрібні тугоплавкі частинки, що плавають у рідкому розплаві. Якщо будова цих частинок близька до будови Металу, що твердне, то вони стають додатковими центрами зародження кристалів, а це призводить до подрібнення зерен у затверділому металі. Модифікаторами залізних сплавів є найдрібніші частинки тугоплавких карбідів, окиси алюмінію, а для кольорових сплавів — окиси різних металів.

Модифікатори другої групи (поверхнево-активні) при твердненні осаджуються на поверхнях кристалів тонким шаром. Осідання їх на поверхні кристалів змінює не тільки швидкість кристалізації, але й форму кристалів, які ростуть.

Для залізних та нікелевих сплавів поверхнево-активним модифікатором є бор, а для сірого чавуну — магній. Дислокаційні недосконалості у монокристалах створюють сприятливі умови для осаджування атомів модифікаторів. Наприклад, у місці виходу гвинтової дислокації спостерігається спіральне зростання кристалів.

26.12.2015
2018

Комментарии

Нет комментариев. Ваш будет первым!