Вопрос. Влияние скорости охлаждения на процесс кристаллизации

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 4Следующая ⇒

Кристаллизация - это образование новой твердой фазы, выделяющейся из раствора, расплава или пара. Кристаллизация из раствора служит средством выделения из них целевых продуктов или загрязняющих примесей, то есть является методом разделения и очистки веществ. В технологии неорганических веществ преимущественно используется кристаллизация из растворов. Образование твердой фазы может происходить только в растворах, в которых концентрация кристаллизующегося вещества превышает концентрацию насыщения, то есть из пересыщенных растворов

при соответствующем понижении температуры в жидком металле начинают образовываться кристаллики – центры кристаллизации или зародыши . Для начала их роста необходимо уменьшение свободной энергии металла, в противном случае зародыш растворяется. Минимальный размер способного к росту зародыша называется критическим размером , а зародыш – устойчивым.

С увеличением скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает и процесс

кристаллизации протекает при температурах, лежащих значительно ниже равновесной температуры кристаллизации. Число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов зависят от степени переохлаждения., число зародышей скорость роста их при равновесной температуре кристаллизации Тs равны нулю. При увеличении степени переохлаждения они возрастают и достигают максимума. При больших степенях переохлаждения число центров кристаллизации и скорость роста равны нулю, так как при низких температурах диффузионная подвижность атомов мала, а тем самым уменьшена способность системы к превращению. Чем больше скорость образования зародышей и меньше скорость их роста, тем меньше размер кристалла (зерна), выросшего из одного зародыша, и, следовательно, более мелкозернистой будет структура металла.

Вопрос 8. Полиморфные превращения металлов

Некоторые металлы (железо, титан, кобальт, цирконий и др.) при разных температурах имеют различные кристаллические решетки. Такое явление называется полиморфизмом или аллотропией. Процесс перехода из одного кристаллического строения в другое называется полиморфным (аллотропическим) превращением.

Строение, получающееся в результате полиморфного превращения, называется аллотропической формой. Аллотропическая форма, устойчивая при более низкой температуре, обозначается индексом , при более высокой – ,  и т. д.

Температура, при которой происходит переход решетки из одного вида в другой, называется температурой полиморфного превращения или температурой перекристаллизации. При этом изменяются свойства металла (плотность, теплопроводность, теплоемкость и др.).

Аллотропические превращения при нагревании происходят с поглощением тепла, а при охлаждении – с его выделением. Как при нагревании, так и при охлаждении аллотропические превращения происходят с некоторым запаздыванием. Так, температура превращения  -модификации в  -модификацию, происходящего при нагревании, будет всегда выше температуры превращения  в , происходящего при охлаждении. Такое явление называется гистерезисом.

До температуры 1539 °С происходит охлаждение жидкого железа. При 1539 °С на кривой охлаждения появляется площадка. При этой температуре железо затвердевает, и выделяется скрытая теплота кристаллизации. По окончании кристаллизации и до температуры 1392 °С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку (Fe_).

При 1392  С на кривой появляется вторая площадка, связанная с аллотропическим превращением  -железа (Fe_) в  -железо (Fe_), имеющее гранецентрированную кубическую решетку.

При аллотропическом превращении исчезают старые зерна и появляются новые. Такое превращение аналогично процессу кристаллизации: вначале образуются зародыши, а затем идет рост зерен новой модификации. Такое превращение является перекристаллизацией.

Следующая площадка наблюдается на кривой охлаждения при температуре 911  С по причине превращения Fe_ в Fe_. Кристаллическая решетка превращается из гранецентрированной опять в объемно-центрированную кубическую, которая сохраняется до самых низких температур.

Площадка на кривой охлаждения, соответствующая температуре
768  С, связана не с перестройкой кристаллической решетки, а с перестройкой электронных оболочек атомов и изменением магнитных свойств. Ниже 768  С железо магнитно, а выше – немагнитно.

Иногда немагнитное железо Fe_ называют Fe_β, а высокотемпературную модификацию Fe_ (в интервале 1392…1539  С) – Fe__.

Полиморфные превращения протекают как в чистых металлах, так и в сплавах.

Металлы, имеющие только один тип кристаллической решетки, называются изоморфными (никель, медь, хром, вольфрам и другие).

Вопрос 9. Упругая и пластическая деформация.

Деформацией называется изменение формы и размеров тела под действием внешних сил. Различают упругую и пластическую деформации. Упругой называют деформацию, влияние которой на форму, размеры, структуру и свойства тела исчезают после прекращения действия внешних сил. При упругой деформации под действием нагрузки происходит незначительное относительное и обратимое смещение атомов. При растяжении монокристалла расстояние между атомами увеличивается, а при сжатии – уменьшается. В результате смещения атомов из положения равновесия нарушается баланс сил притяжения и отталкивания. Поэтому после снятия нагрузки смещённые атомы под действием сил притяжения или отталкивания возвращаются в равновесное положение. Кристалл вновь приобретает первоначальную форму и размеры.

В случае возрастания касательных напряжений сверх определённой величины деформация становится необратимой. При снятии нагрузки исчезает только упругая составляющая деформации, оставшаяся часть деформации называется пластической. При пластической деформации изменяется структура металла, а, значит, и его свойства.

Вопрос 10 Хрупкое разрушение

хрупкое разрушение – отрыв одних слоев атомов от других под действием нормальных растягивающих напряжений. Отрыв не сопровождается предварительной деформацией. Механизм зарождения трещины одинаков — благодаря скоплению движущихся дислокаций перед препятствием (границы субзерен, фазовые границы), что приводит к концентрации напряжений, достаточной для образования трещины. Когда напряжения достигают определенного значения, размер трещины становится критическим и дальнейший рост осуществляется произвольно.

Для хрупкого разрушения характерна острая, часто ветвящаяся трещина. Величина зоны пластической деформации в устье трещины мала. Скорость распространения хрупкой трещины велика — близка к скорости звука (внезапное, катастрофическое разрушение). Энергоемкость хрупкого разрушения мала, а работа распространения трещины близка к нулю.

Вопрос 11 Вязкое разрушение

РАЗРУШЕНИЯ МЕХАНИЗМЫ. Выход из строя металлических конструктивных элементов может быть связан с неправильным выбором металла или сплава для данного вида применения, дефектами металла, ошибками в расчете конструкции или отклонениями рабочих условий от заданных при проектировании. Вязкое разрушение – путем среза под действием касательных напряжений. Ему всегда предшествует значительная пластическая деформация.

Трещина тупая раскрывающаяся. Величина пластической зоны впереди трещины велика. Малая скорость распространения трещины. Энергоемкость значительная, энергия расходуется на образование поверхностей раздела и на пластическую деформацию. Большая работа затрачивается на распространение трещины. Поверхность излома негладкая, рассеивает световые лучи, матовая (волокнистый) излом. Плоскость излома располагается под углом.

⇐ Предыдущая 123 4 Следующая ⇒