В, е – ОЦК (объемноцентрированная кубическая)

Процесс кристаллизации

Каждое вещество может находиться в четырех агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном и плазменном. Переход из одного агрегатного состояния в другое называется фазовым превращением.

Кристаллизацией называется процесс образования кристаллов (кристаллической решетки) из жидкой или газообразной среды. В природе все самопроизвольно протекающие процессы, в том числе плавление и кристаллизация вызываются тем, что новое состояние в новых условиях является более устойчивым и обладает меньшим запасом свободной энергии. Под свободной энергией F - понимают ту часть внутренней энергии, которая может быть превращена в работу. С повышением температуры свободная энергия жидкого и твердого состояния уменьшается. Однако она меняется различно для жидкого и твердого состояния (рис.1.4.). При температуре выше T₀ меньшей свободной

Рис. 1.4. Свободная энергия F

энергией обладает вещество в жидком состоянии, ниже T₀ - в твердом состоянии. Следовательно, при T> T₀ вещество находится в жидком состоянии, а при T< T₀ – в твердом состоянии. Очевидно, что при T₀ свободные энергии жидкого и твердого состояния равны, металл в обоих состояниях находится в равновесии.

Температура T₀ называется равновесной или теоретической температурой кристаллизацией (плавления).

При T₀ не может происходить процесс кристаллизации, т.к. для начала процесса кристаллизации необходимо, чтобы процесс был термодинамически выгоден, т.е. необходимо создать такие условия, при которых свободная энергия твердой фазы будет меньше, чем свободная энергия жидкой фазы. Как видно из рисунка 1.4., это возможно лишь при некотором переохлаждении сплава. Температура, при которой практически начинается кристаллизация, называется фактической температурой кристаллизации. Степенью переохлаждения _∆ T называется разность между равновесной (теоретической) и фактической температурами кристаллизации

_∆ T= T₀-T_кр , где T₀ – равновесная температура, T_кр – фактическая температура кристаллизации.

Для развития процесса кристаллизации необходима некоторая степень переохлаждения _∆ T. Движущей силой любого превращения является разность свободных энергий, зависящая от скорости охлаждения.

_∆ F=F_ж-F_кр

Процесс кристаллизации изучают по кривым охлаждения (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Кривые охлаждения при кристаллизации

Охлаждение металла в жидком состоянии сопровождается плавным понижением температуры (участок AB).Скорость охлаждения (наклон кривой) зависит от разности температур металла и охлаждающей среды. При достижении температуры кристаллизации на кривой появляется площадка (участок BC), т.к. отвод тепла компенсируется так называемой открытой теплотой кристаллизации. По окончании кристаллизации (точка C), т.е. когда весь жидкий металл перейдет в кристаллическое состояние, температура опять начинает снижаться, происходит охлаждение затвердевшего металла (участок CD). Чем больше скорость охлаждения, тем при низкой температуре заканчивается процесс кристаллизации и тем больше будет степень переохлаждения.

Процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов:

· зарождение центров кристаллизации или зародышей;

· рост кристаллов из этих центров.

На рис.1.6. дана модель процесса кристаллизации.

Рис. 1.6. Качественная схема процесса кристаллизации

Каждую секунду появляется какое-то количество новых центров кристаллизации, в то же время появившиеся ранее зародыши подрастают с определенной скоростью на какую-то величину. Столкновение растущих кристаллов приводит к потере ими правильной огранки. Это уже не кристаллы, а зерна.

Общая скорость процесса кристаллизации (рис.1.7.) складывается из скорости элементарных процессов и зависит от степени переохлаждения (или скорости охлаждения расплава):

ч.ц. – число центров кристаллизации, возникших за 1 с в 1 мм³ расплава,

с.р. – линейная скорость роста кристалла, мм/c.

При медленном охлаждении V₁ и малой степени переохлаждения Δ T₁ возникает малое число

зародышей в единицу вре -

Рис.1.7. Скорость кристаллизации мени. Из них небольшое количество крупных зерен. В этом случае получается крупнозернистая структура металла.

При большой скорости охлаждения V₂ и значительной степени переохлаждения Δ T₂ возникает множество зародышей в единицу времени, и из них вырастает много мелких зерен. Структура получается мелкозернистая.

Таким образом, практически увеличение скорости охлаждения при кристаллизации приводит к формированию более мелкозернистого металла, имеющего более высокие механические свойства.

Очень маленькая скорость охлаждения может привести к получению только одного зародыша, из которого можно вырастить монокристалл.

Строение слитка

На процесс кристаллизации всегда влияет множество факторов: направление теплоотвода, наличие нерастворимых примесей в расплаве и т. д.

В слитке кристаллизация всегда начинается у стенок формы, так как металл здесь охлаждается быстрее. Степень переохлаждения у стенок велика, поэтому здесь образуется множество мелких кристалликов, по-разному ориентированных. Эту часть слитка называют мелкозернистой коркой 1.

Затем кристаллы начинают расти от поверхности в направлении, обратном отводу тепла, т. е. перпендикулярно стенке формы. В поперечном направлении кристаллы мешают друг другу расти, поэтому они приобретают вытянутую форму. Их называют столбчатыми кристаллами 2.

В центре крупного слитка образуется объем жидкого металла с почти одинаковой температурой во всех точках. Тепло от этой зоны отводится медленно, с одинаковой

скоростью во всех направлениях. Поэтому Рис.1.8.Схема строения слитка

зародыши здесь возникают в разных участках и не имеют преимущественного направления роста. Это зона крупных, по-разному ориентированных равноосных кристаллов 3.

В верхней части слитка за счет усадки возникает крупная пустота – усадочная раковина 4. Эту часть слитка удаляют. Наилучшие механические свойства должны быть в первой зоне – корке, наихудшие – в сердцевине слитка, особенно в верхней части.

Размер зон в конкретном изделии зависит от состава металла, скорости охлаждения при кристаллизации и температуры заливаемого в форму металла.

В отливках небольшого поперечного сечения при быстром охлаждении и большом перегреве может происходить транскристаллизация: столбчатые кристаллы дорастают до столкновения, равноосные кристаллы в центре вообще не образуются.

Свободно растущий в жидкости кристалл при малой степени переохлаждения принимает форму дендрита – разветвляется подобно дереву (рис.1.9), кристалл Чернова (рис.1.10). При росте дендритов максимальная скорость роста наблюдается по плоскостям и направлениям, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов.

.

Рис.1.9. Схема дендрита Рис.1.10. Кристалл Чернова

В результате вырастают длинные ветви, которые называют осями первого порядка. На них появляются ветви второго порядка и т. д. В последнюю очередь идет кристаллизация в участках между осями дендритов. Примеси оттесняются гранями растущего кристалла. Кроме того, при затвердевании происходит усадка металла. Все это приводит к тому, что в участках, расположенных между осями дендритов, сконцентрированы примеси и имеются микропоры. Такая особенность строения литого металла приводит к понижению его механических свойств, особенно пластичности.

Порядок выполнения работы

1.4.1. Уясните цель работы.

1.4.2. Изучите процессы и условие необходимое для протекания процесса кристаллизации.

1.4.3. Изучите типы кристаллических решеток.

1.4.4.Изучите дефекты кристаллического строения.

1.4.5. Изучите строение металлического слитка.

1.4.6. Составьте отчет о работе

Содержание отчета

1.5.1. Цель работы и задание по ее выполнению.

1.5.2. Краткие сведения по кристаллизации металлов

1.5.3. Наблюдать и вычертить схему кристаллизации поваренной соли из капли раствора.

1.5.4. Начертить схему строения стального слитка.

1.5.5. Объяснить причину образования трех зон в слитке и усадочной раковины. Объясните, что такое транскристаллизация и в каких случаях желательно ее развитие.

1.6. Контрольные вопросы

1.6.1. В чем сущность кристаллического строения металлов?

1.6.2. Каковы характерные свойства металлических материалов?

1.6.3. Какие типы кристаллических решеток Вам известны?

1.6.4. Охарактеризуйте основные параметры кристаллической решётки и их связь со свойствами материалов?

1.6.5. Каков физический смысл температуры T₀, соответствующей точки пересечения кривых F_ж и F_кр?

1.6.6. Как изменяется скорость кристаллизации металла, если степень переохлаждения возрастает?

1.6.7. Какие материалы обладают свойствами анизотропии и изотропии?

1.6.8. Что такое полиморфные превращения?

1.6.9. Укажите условия процесса кристаллизации.

1.6.10. По схеме строения стального слитка (показанного в разрезе) укажите его наиболее ослабленные места.

1.6.11. Какова связь между величиной зерна, скоростью зарождения, скоростью роста кристаллов и степенью переохлаждения?

Контрольные тесты