Дайте определение зародыша критического размера при кристаллизации металлов
Обновлено: 17.05.2024
По законам термодинамики: в изолированной системе самопроизвольно протекают только те процессы, которые приводят к уменьшению свободной энергии системы (энергия Гиббса). При кристаллизации происходит образование зародышей, вырастающих затем в кристаллиты (зерна). Минимальный размер зародыша, обеспечивающий его устойчивость, рост и осуществление процесса кристаллизации, называют критическим (рис. 36). В процессе образования зародыша размером rкр происходят увеличение межфазной поверхностной энергии (ΔGS) и уменьшение объемной свободной энергии (ΔGV) расплава за счет появления поверхностей раздела. Общее изменение свободной энергии металла (ΔGобщ) в результате формирования твердой частицы сферической формы радиуса r равно:
ΔGобщ = ΔGV + ΔGS = -Lρ (ΔT/Tпл)(4/3)πr 3 +4πr 2 γт-ж ,
где L – удельная теплота кристаллизации; ρ – плотность металла; ΔT – степень переохлаждения; Tпл – температура плавления металла; γт-ж – удельная поверхностная (межфазная) свободная энергия на границе твердой и жидкой фаз.
 |
Рисунок 36 - Зависимость изменения свободной энергии расплава от размера зародышей
Зародыш может сохраняться лишь при условии уменьшения ΔGобщ (при фиксированном переохлаждении ΔT). Однако при малых размерах частицы это условие не реализуется, поскольку отношение площади поверхности частицы к объему слишком велико. Зародыши же размерами, равными и большими критического (rкр), растут с уменьшением энергии и поэтому способны к существованию. Критический размер зародыша определяется из условия:
rкр = 2 γт-жTпл / (LρΔT).
Из последнего уравнения видно, что с уменьшением межфазного натяжения (γт-ж) и увеличением степени переохлаждения критический размер зародыша уменьшается. Процесс зарождения центров кристаллизации количественно оценивается скоростью зарождения центров, т.е. числом центров, возникающих в единице объема (м 3 )за единицу времени (с).
Рост кристаллов характеризуется скоростью роста (с.р.) линейных размеров кристалла. Однородный металл при его охлаждении ниже температуры плавления находится определенное время в жидком состоянии, но оно является метастабильным (неравновесным). Интервалы метастабильности (ΔT) для процессов зарождения центров и их роста не одинаковы: ΔTс.р. меньше ΔTч.ц. На рис. 37 приведены зависимости скорости роста кристаллов и числа центров кристаллизации от степени переохлаждения металла.
Рисунок 37 - Влияние степени переохлаждения на параметры кристаллизации и структуру металла: 1-скорость роста (с.р.); 2-число центров (ч.ц.)
Экстремальный характер обеих зависимостей обусловлен наличием двух противоположно влияющих на процесс кристаллизации факторов: с одной стороны, с повышением степени переохлаждения (ΔT) разность свободных энергий жидкого и твердого металлов (ΔG) возрастает, что способствует повышению скорости кристаллизации. С другой стороны, для образования и роста кристаллов необходимо диффузионное перемещение атомов в жидком металле, скорость которого уменьшается с понижением температуры металла. В зависимости от степени переохлаждения отношение между (с.р.) и (ч.ц.) изменяется; это приводит к тому, что с увеличением ΔT измельчается зерно металла. В завершение необходимо отметить, что нисходящие ветви кривых (с.р.) и (ч.ц.) характерны для повышения скоростей охлаждения.
Последовательность формирования кристаллической структуры металлов и сплавов определяется условиями кристаллизации. Выделяют 5 стадий формирования структуры:
1 стадия – в период заливки литейной формы (образование мелких зерен на поверхности с дендритным строением) в условиях интенсивного теплоотвода.
2 стадия (конвекция) – после образования поверхностной твердой корочки затрудняется теплоотвод и температура t° в расплаве выравнивается. Поверхностная корка может расплавиться частично или полностью.
3 стадия (рост столбчатых кристаллов) – после прекращения конвективного перемешивания расплава повышается его вязкость. Столбчатые кристаллы растут в направлении теплового потока.
4 стадия (образование равноосных зерен в центре) – формирование крупных равноосных зерен в центре отливки. Центр отливки охлаждается быстрее, чем периферия. Интенсивность теплоотдачи понижается, температура выравнивается.
5 стадия – охлаждение твердого сплава до комнатной температуры. Строение слитка представлено на рис. 38.
Рисунок 38 - Строение слитка. а - схема дендрита по Д.К.Чернову: 1,2,3 – оси первого, второго и третьего порядков соответственно; б – зонная структура слитка
Типичная структура слитка состоит из трех основных зон: 1) зоны мелких равноосных кристаллов, образующихся при быстром переохлаждении металла, соприкасающегося со стенкой формы; 2) зоны столбчатых кристаллов, ориентированных вдоль направления теплоотвода; 3) зоны равноосных кристаллов больших размеров, причем форма зерна в центре слитка обусловлена слабым влиянием теплоотвода. Усадочная раковина 4 формируется в верхней части слитка. В ней металл, затвердевающий в последнюю очередь, является рыхлым, поскольку пронизан газовыми порами и примесями. Эта дефектная область слитка подлежит отрезке.
9. Кристаллизация металлов; зарождение кристаллов, критический зародыш; гомогенное и гетерогенное зарождение кристаллов; рост кристаллов. Кривые Таммана
Кристаллизация – это процесс перехода металла из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллической структуры. В природе все самопроизвольно протекающие превращения, кристаллизация и плавление обусловлены тем, что новое состояние в новых условиях является энергетически более устойчивым, обладает меньшим запасом энергии.
Переход металла из жидкого или парообразного состояния в твердое с образованием кристаллической структуры называется первичной кристаллизацией. Образование новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе называется вторичной кристаллизацией. Процесс кристаллизации состоит из двух одновременно идущих процессов зарождения и роста кристаллов. Кристаллы могут зарождаться самопроизвольно – самопроизвольная кристаллизация или расти на имеющихся готовых центрах кристаллизации – несамопроизвольная кристаллизация.
Проследить процесс кристаллизации металла можно с помощью счетчика времени и термоэлектрического пирометра. Две разнородные проволоки, которые спаянны концами, погружают в расплавленный металл и при этом возникающий термоток пропорционален температуре металла, а стрелка милливольтметра отклоняется, она указывает температуру по специально градуированной шкале. Показания пирометра записывают во времени и по полученным данным строят кривые охлаждения в координатах температура – время. Критической точкой называется температура, которая соответствует какому-либо превращению в металле.
При охлаждении переход из жидкого состояния в твердое сопровождается образованием кристаллической решетки, т. е. кристаллизацией. Для того чтобы вызвать кристаллизацию, жидкий металл нужно переохладить до температуры ниже температуры плавления. При затвердевании и при аллотропическом превращении в металле вначале образуются центры кристаллизации, вокруг которых группируются атомы, образуя соответствующую кристаллическую решетку. Процесс кристаллизации складывается из двух этапов: образования центров кристаллизации и роста кристаллов. У каждого из возникающих кристаллов кристаллографические плоскости ориентированы случайно, кроме того, при первичной кристаллизации кристаллы могут поворачиваться, так как они окружены жидкостью. Смежные кристаллы растут навстречу друг другу, и точки их столкновения определяют границы кристаллитов (зерен).
У аморфных веществ кривые охлаждения плавные, без площадок и уступов: понятно, что аллотропии у этих веществ быть не может. Механизм кристаллизации металла состоит в том, что при соответствующем понижении температуры внутри тигля с жидким металлом начинают образовываться мелкие кристаллики, называемые центрами кристаллизации или зародышами.
Для начала роста кристаллов из жидкого металла необходимо, чтобы свободная энергия металла
уменьшилась. Если же в результате образования зародыша свободная энергия металла увеличивается, то зародыш растворяется. Минимальный размер способного к росту зародыша называется критическим размером зародыша, а такой зародыш – устойчивым.
Чем больше степень переохлаждения, понижающая свободную энергию металла, тем меньше критический размер зародыша.
Вокруг образовавшихся центров начинают расти кристаллы. По мере роста кристаллов в металле, оставшемся еще в жидком состоянии, продолжают возникать новые центры кристаллизации. Каждый из растущих новых кристаллов ориентирован в пространстве произвольно.
Кристаллы с неправильной формой называются зернами или кристаллами. Твердые тела, в том числе и металлы, состоящие из большого количества зерен, называют поликристаллическими.
Д.В. Черновым установлено, что процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов: зарождения центров кристаллизации и роста кристаллов из этих центров. Гораздо позже Тамман, изучая процесс кристаллизации, установил зависимость числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов от степени переохлаждения.
Пока образовавшиеся кристаллы растут свободно, они имеют более или менее правильную геометрическую форму. Однако при столкновении растущих кристаллов их правильная форма нарушается, так как в этих участках рост граней прекращается. Рост продолжается в тех направлениях, где есть свободный доступ «питающей» жидкости. В результате растущие кристаллы, имеющие сначала геометрически правильную форму, после затвердевания получают неправильную внешнюю форму и поэтому называются кристаллитами или зернами.
Рост зародышей происходит в результате перехода атомов из переохлажденной жидкости к кристаллам. Кристалл растет послойно, каждый слой имеет одноатомную толщину. Различают два элементарных процесса роста кристаллов.
Образование двумерного зародыша.
Рост двумерного зародыша путем поступления атомов из переохлажденной жидкости. После образования на плоской грани двумерного зародыша дальнейший рост нового слоя протекает сравнительно легко, так как появляются участки, удобные для закрепления атомов, переходящих из жидкости.
Размер зерен, образующихся в процессе кристаллизации, зависит не только от числа самопроизвольно зарождающихся центров кристаллизации, но и от числа частичек нерастворимых примесей, всегда имеющихся в жидком металле, которые играют роль готовых центров кристаллизации.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.
Продолжение на ЛитРес
Глава первая. Зарождение идеи
Глава первая. Зарождение идеи История любой идеи- это почти всегда история многих вещей и событий. Идеи в своем становлении похожи на большие реки: их питают разные источники. Как берега реки близ устья наполнены водами ее многочисленных притоков, так и всякая идея в
Глава I. ЗАРОЖДЕНИЕ ВОЗДУШНОГО БОЯ (первая мировая война)
Глава I. ЗАРОЖДЕНИЕ ВОЗДУШНОГО БОЯ (первая мировая война) 1. Как вести бой в воздухе? Сентябрь 1913 года. В разгаре маневры войск Киевского военного округа. На одной из «действующих» сторон X корпус, на другой — XXI, каждому из них придано по два авиационных отряда.…Над
ГЛАВА 1 Зарождение идеи
ГЛАВА 1 Зарождение идеи 6,5-мм автомат Федорова образца 19X6 г.По мнению многих специалистов-оружейников, к началу XX века при достигнутом уровне развития технологии, машиностроения и металлургии основные образны стрелкового оружия пехоты — винтовки и карабины (т. е.
5.15. Подготовка совещания. Кривые пути электронов и тупики источников направленного РЧЭМИ
5.15. Подготовка совещания. Кривые пути электронов и тупики источников направленного РЧЭМИ 14 июня 1991 года в ЦНИИХМ предстояло провести совещание по проблемам разработки электромагнитного оружия. Такой шанс не следовало упускать. За несколько недель перед совещанием,
14.3. Рост науки
14.3. Рост науки Наука растет и растет стремительно — по экспоненциальному закону, т. е. таким образом, что за каждые сколько-то лет ее количественные характеристики возрастают во столько-то раз. Общее число статей в научных журналах всего мира удваивается за 12–15 лет1. Число
2. Кристаллизация и структура металлов и сплавов
2. Кристаллизация и структура металлов и сплавов Порядок расположения атомов – тип кристаллической решетки – природное свойство металла, форма кристаллов и их размеры зависят от процесса перехода металла из жидкого состояния в твердое. Процесс образования кристаллов
Долой рост!
Долой рост! В свое время сельскохозяйственное отделение фирмы КОШМАР занималось выращиванием вьющихся бобов на дугообразных подпорках, надеясь выяснить, станут ли побеги загибаться вниз, к земле. Бобы, однако, упрямо стремились вверх, хотя и испытывали некоторое
Тема I. ЗАРОЖДЕНИЕ И ВЫЗРЕВАНИЕ ИНЖЕНЕРНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ. ЕЕ СУЩНОСТЬ И ФУНКЦИИ
Тема I. ЗАРОЖДЕНИЕ И ВЫЗРЕВАНИЕ ИНЖЕНЕРНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ. ЕЕ СУЩНОСТЬ И ФУНКЦИИ В истории становления и развития производительных сил общества на различных этапах проблема инженерной деятельности занимает особое место. Инженерное дело прошло довольно непростой,
ЗАРОЖДЕНИЕ ПРОЕКТА «СУ-27»
ЗАРОЖДЕНИЕ ПРОЕКТА «СУ-27» Павел ПЛУНСКИЙК концу 1960-х годов ОКБ П.О. Сухого являлось одним из ведущих конструкторских бюро МАП, специализирующимся на самолетах тактического назначения. В коллективе успела сложиться собственная школа проектирования, а в активе КБ было
2.8. ЗАРОЖДЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
2.8. ЗАРОЖДЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ Как известно, процессы в электрической цепи определяются скалярными величинами — электродвижущей силой (или напряжением) и током. Напомним, что понятие об электродвижущей силе ввел в обращение А. Вольта. После первых
2.11. ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОАВТОМАТИКИ, ЭЛЕКТРОПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАЦИОННОЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
2.11. ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОАВТОМАТИКИ, ЭЛЕКТРОПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАЦИОННОЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ Длительное время электрическая энергия не могла получить широкого практического применения вследствие отсутствия экономичных генераторов. Но это относится к так называемым
7.4.1. ЗАРОЖДЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
7.4.1. ЗАРОЖДЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ Создание первого источника тока — вольтова столба — привело к зарождению новой технологии, которая позднее получила название электрохимической.Уже в 1800 г. В. Никельсон и А. Карлейль (Англия) разложили воду с
Диалог с заказчиком и зарождение идеи
Диалог с заказчиком и зарождение идеи Как вы поняли, проект обладает сложной структурой, которую непросто понять с первого раза. Это под силу лишь небольшому числу заказчиков. Разрозненность посвященной этой теме информации в сети Интернет в виде бесплатных советов
32. Отжиг 1-го рода. Неравновесная кристаллизация
32. Отжиг 1-го рода. Неравновесная кристаллизация Этот вид термической обработки возможен для любых металлов и сплавов. Его проведение не обусловлено фазовыми превращениями в твердом состоянии. Нагрев при отжиге 1 рода, повышая подвижность атомов, частично или полностью
2. Кристаллизация и структура металлов и сплавов
Порядок расположения атомов – тип кристаллической решетки – природное свойство металла, форма кристаллов и их размеры зависят от процесса перехода металла из жидкого состояния в твердое. Процесс образования кристаллов при затвердевании металлов называется кристаллизацией. При кристаллизации металлов выделяется тепло, а при переходе металлов из твердого состояния в жидкое происходит поглощение тепла. Наблюдения с помощью измеряющих температуру проборов за процессом понижения температуры
при переходе металла из жидкого состояния в твердое позволили установить определенную закономерность. Сначала температура понижается равномерно. В начальный период образования кристаллов вследствие выделения скрытой теплоты при формировании кристаллической решетки падение температуры прекращается, и она остается неизменной до полного затвердения металла. После того как весь металл затвердеет, температура снова начинает понижаться. Температура, соответствующая горизонтальной площадке, называется критической. Кристаллизация металлов подобна кристаллизации солей, и этот процесс состоит из двух элементарных процессов, протекающих одновременно. Первый заключается в образовании центров кристаллизации, или зародышей кристаллов, второй – в росте кристаллов из этих центров.
Первый этап – появление зародышей кристаллов металла. Второй этап – по мере остывания металла к зародышам присоединяются все новые и новые атомы жидкого металла, которые группируются в определенном порядке один возле другого, образуя элементарные ячейки кристаллической решетки. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не закончится кристаллизация. Причем кристаллы затвердевшего металла имеют неправильную и весьма разнообразную форму, что объясняется условиями кристаллизации.
В процессе кристаллизации увеличивается количество кристаллов – в 1 мм 3 может образоваться свыше 1000 кристаллов. Кристаллы, имеющие неправильную внешнюю форму, называются кристаллитами, или зернами. Чистые металлы относительно редко применяются в машиностроении и других отраслях хозяйственного комплекса. Более широко используются сплавы, состоящие из двух и более элементов (из двух металлов, например меди и цинка, или из металла и неметалла, например железа и углерода). Элементы, входящие в сплав, называются компонентами. В зависимости от расположения атомов в кристаллической решетке различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения. В твердом растворе замещения атомы растворимого компонента замещаются атомами растворителя, а в твердом растворе внедрения атомы растворителя размещаются между атомами растворимого компонента в наиболее слабых местах элементов кристаллической решетки.
Сплавы, представляющие собой твердые растворы, отличаются ценными свойствами. Они тверже и прочнее, чем входящие в него компоненты.
Компоненты некоторых сплавов при кристаллизации могут входить в химическую связь, образуя химическое соединение. Химические соединения обладают очень высокой твердостью и хорошим электросопротивлением.
Свойства металлов и сплавов
Свойства металлов и сплавов В этой главе будет рассказано о металлах, сплавах и их свойствах, что полезно не только для мастеров слесарного дела, но для всех, кто занимается чеканкой, ковкой, художественным литьем (этому посвящены последующие главы).Металл относится к
3. Способы упрочнения металлов и сплавов
3. Способы упрочнения металлов и сплавов Поверхностное упрочнение металлов и сплавов широко применяется во многих отраслях промышленности, в частности в современном машиностроении. Оно позволяет получить высокую твердость и износостойкость поверхностного слоя при
9. Кристаллизация металлов; зарождение кристаллов, критический зародыш; гомогенное и гетерогенное зарождение кристаллов; рост кристаллов. Кривые Таммана
9. Кристаллизация металлов; зарождение кристаллов, критический зародыш; гомогенное и гетерогенное зарождение кристаллов; рост кристаллов. Кривые Таммана Кристаллизация – это процесс перехода металла из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллической
17. Теплоемкость и теплопроводность металлов и сплавов
17. Теплоемкость и теплопроводность металлов и сплавов Теплоемкость – это способность вещества поглощать теплоту при нагреве. Ее характеристикой является удельная теплоемкость – количество энергии, поглощаемой единицей массы при нагреве на один градус. От величины
18. Дилатометрия. Магнитные свойства металлов и сплавов. Методы определения
18. Дилатометрия. Магнитные свойства металлов и сплавов. Методы определения Дилатометрия – раздел физики; основная задача: изучение влияния внешних условий (температуры, давления, электрического, магнитного полей, ионизирующих излучений) на размеры тел. Главный предмет
43. Маркировка, структура, свойства и области применения цветных металлов и их сплавов
43. Маркировка, структура, свойства и области применения цветных металлов и их сплавов К цветным металлам относятся медь, алюминий, магний, титан, свинец, цинк и олово, которые обладают ценными свойствами и применяются в промышленности, несмотря на относительно высокую
Материаловедение. Шпаргалка.
9. Кристаллизация металлов; зарождение кристаллов, критический зародыш; гомогенное и гетерогенное зарождение кристаллов; рост кристаллов. Кривые Таммана.
Для начала роста кристаллов из жидкого металла необходимо, чтобы свободная энергия металла.
Механизм и закономерности кристаллизации металлов
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.
Переход из жидкого состояния в кристаллическое требует затраты энергии на образование поверхности раздела жидкость − кристалл. Процесс кристаллизации будет осуществляться, когда выигрыш от перехода в твердое состояние больше потери энергии на образование поверхности раздела. Зависимость энергии системы от размера зародыша твердой фазы представлена на рис. 1.12. Зародыши с размерами равными и большими критического растут с уменьшением энергии и поэтому способны к существованию. Механизм кристаллизации представлен на рис. 1.13.
 | Рис. 1.12. Зависимость энергии системы от размера зародыша твердой фазы |
Рис. 1.13. Модель процесса кристаллизации
Центры кристаллизации образуются в исходной фазе независимо друг от друга в случайных местах. Сначала кристаллы имеют правильную форму, но по мере столкновения и срастания с другими кристаллами форма нарушается. Рост продолжается в направлениях, где есть свободный доступ питающей среды. После окончания кристаллизации имеем поликристаллическое тело. Качественная схема процесса кристаллизации может быть представлена количественно кинетической кривой (рис. 1.14).
 | Рис. 1.14. Кинетическая кривая процесса кристаллизации |
Процесс вначале ускоряется, пока столкновение кристаллов не начинает препятствовать их росту. Объем жидкой фазы, в которой образуются кристаллы, уменьшается. После кристаллизации 50 % объема металла скорость кристаллизации будет замедляться.
Таким образом, процесс кристаллизации состоит из образования центров кристаллизации и роста кристаллов из этих центров.
В свою очередь, число центров кристаллизации (ч.ц.) и скорость роста кристаллов (с.к.) зависят от степени переохлаждения (рис. 1.15).
 | Рис. 1.15. Зависимость числа центров кристаллизации (ч.ц.) и скорости роста кристаллов (с.к.) от степени переохлаждения |
Размеры образовавшихся кристаллов зависят от соотношения числа образовавшихся центров кристаллизации и скорости роста кристаллов при температуре кристаллизации.
При равновесной температуре кристаллизации Ts число образовавшихся центров кристаллизации и скорость их роста равняются нулю, поэтому процесса кристаллизации не происходит.
При небольших степенях переохлаждения, когда зародыш критического размера велик, а скорость образования зародышей мала, при затвердевании формируется крупнокристаллическая структура. Небольшие степени переохлаждения достигаются при заливке жидкого металла в форму с низкой теплопроводностью (земляная, шамотовая) или в подогретую металлическую форму. Увеличение переохлаждения происходит при заливке жидкого металла в холодные металлические формы, а также при уменьшении толщины стенок отливки. Поскольку при этом скорость образования зародышей увеличивается более интенсивно, чем скорость их роста, получаются более мелкие кристаллы.
Если металл очень сильно переохладить, то число центров и скорость роста кристаллов равны нулю, жидкость не кристаллизуется, образуется аморфное тело. Для металлов, обладающих малой склонностью к переохлаждению, экспериментально обнаруживаются только восходящие ветви кривых.
Читайте также: