Физические свойства металлов практическая работа

Сборник практических работ по материаловедению

Методы исследований в материаловедении

Практическая работа № 1

План урока

Обновлено: 19.05.2024

Оборудование: таблицы: “ Периодическая система химических элементов”, “Классификация неорганических веществ”, “Металлическая химическая связь”, коллекции металлов, макет кристаллической решётки, справочники.

Реактивы для учителя: Al(гран.), Zn(гран.), Sn(гран.), Cu (гран.), банки с Zn(пыль), Fe(порошок), Mg(порошок), медная и железная проволоки, парафин, спички, спиртовка, штатив, щипцы, нихромовая проволока, растворы солей натрия, меди, сальция, стронция;

для учащихся: поднос, Al(гран.), Zn(гран.), Sn(гран.), Cu(гран.), Zn(пыль), Fe( порошок), магнит.

I этап. Ориентировочно – мотивационный

Мы приступаем к изучению новой темы “ Металлы”. На этом и последующих уроках мы поведём разговор о простых веществах - металлах. В глубокой древности люди обратили внимание на металлы, обладающие привлекательными свойствами: их можно было расплавить на костре и придать любую форму, сплющить, заострить края, проделать в них отверстие. Твёрдые наконечники для стрел и копий были несгибаемы даже в самом жарком бою. Преимущество металлов перед обработанным камнем, в качестве материала для орудий труда, оружия, предметов быта, не могли не заметить древние земледельцы, скотоводы и охотники. Поэтому вполне естественно, что век каменный уступил своё место векам медному, бронзовому, железному. Без металлов современная цивилизация немыслима.

Металлы это не просто материалы для машин и механизмов, мостов и железных дорог. Металлы – это часть нашей духовной культуры. Кто не знает такие замечательные творения скульпторов, как памятник Минину и Пожарскому, Медный всадник, Эйфелевую башню, Статую свободу. Вспомним великолепные произведения мастеров литейного искусства – Царь – пушку Московского Кремля, отлитую из бронзы А.Чоховым, Царь – колокол, отлитый отцом и сыном Моториными, знаменитый узор решётки Летнего сада Санкт – Петербурга. Металлам мы обязаны волшебным звоном колоколов. Церкви в России строились на самом видном месте. Венчал строение позолоченный купол. (Презентация. Можно взять у автора).

Поэты довольно часто использовали знания о металлах, чтобы сделать свои поэтические образы более яркими и выразительными.

Ночевала тучка золотая
На груди утёса великана…
М.Лермонтов

Торговали мы булатом
Чистым серебром и златом.
А.Пушкин

Братний в золоте кафтан,
В серебре мой сарафан.
А.Блок

На рукомойнике моём
Позеленела медь…
А.Ахматова

А за окошком в первом инее
Лежат поля из алюминия.
А.Вознесенский

В синем небе, колокольнями проколотом,-
Медный колокол, медный колокол,
То ль возрадовался,
То ли осерчал…
Купола в России –
Кроют чистым золотом,
Чтобы чаще Господь замечал.
В.Высоцкий.

Почему металлы заняли такое важное место в нашей жизни, в нашей истории, в нашей культуре? Какими удивительными свойствами они обладают? Почему они нашли такое широкое применение? В чём заключаются особенности строения металлов?

На эти вопросы мы попытаемся ответить на уроке. Тема урока “Cтроение металлов и их физические свойства”.

Девизом нашего урока будут слова У.Рамзая, известного химика:” Природа окружает нас загадками, и попытка их решения, принадлежит к величайшим радостям жизни”.

II этап. Информационно – исполнительский

Беседа "Положение металлов в Периодической системе и особенности их строения".

Что значит проявлять металлические свойства?
Как изменяются свойства химических элементов в периодах?
Как изменяются свойства химических элементов в группах?
Где в Периодической системе располагаются элементы – металлы?

Рассмотрим особенности строения металлов в кристаллическом состоянии.

металлическая кристаллическая решётка
металлическая химическая связь – связь за счёт свободно движущихся электронов.

Как же выглядят металлы? Приступаем к практическому изучению физических свойств металлов.

инструктаж;
выполнение работы;
обсуждение результатов работы, выводы.

Инструктивная карточка

Рассмотрите выданные вещества. В каком физическом состоянии они находятся?
Определите цвет веществ, прозрачность.
Как выражена способность вещества отражать свет?
Поднесите магнит к образцам металлов. Какое вещество притягивается магнитом?
Найдите по справочным таблицам значения температур плавления и плотности выданных образцов.
Почему кастрюли делают из металлов? Почему металлической ложкой можно обжечься, а деревянной нет?
Сделайте вывод: какими общими физическими свойствами обладают предложенные металлы?

твёрдые вещества (исключение Hg)
металлический блеск (из-за отражения света от их поверхности).

Как это свойство применяется на практике?

температура плавления – легкоплавкие t
тугоплавкие t >350 С – Fe, Cr, W.

электропроводность, теплопроводность (Ag, Cu, Au, Al)

Демонстрационный опыт “Сравнение электропроводности алюминия и железа”.

Вывод: алюминий электропроводней железа.

Металлы используются для производства проводов, кабелей, в качестве теплообменников.

пластичность – это свойство металлов деформироваться без трещин под воздействием определённой нагрузки.
ковкость – это свойство металлов деформироваться без трещин под влиянием сжатия.
тягучесть – способность металлов вытягиваться в нити.

Металлы хорошо поддаются механической обработке. Они ковки, тягучи, их можно прокатывать, вытягивать, штамповать, прессовать, придавать любую форму. Это качество используется пи производстве проводов, деталей, труб, посуды, машин.

Na – жёлтый
Cu – зелёный
Ca – кирпично – красный
Sr – малиновый

Это свойство металлов используется в пиротехнике.

Вывод: металлы – твёрдые вещества, с металлическим блеском, электропроводны, теплопроводны, пластичны.

Экспресс-опрос (с помощью сигнальных карточек)”: да “– зелёная, “нет” – красная, “сомневаюсь” – жёлтая.

…самый пластичный металл – серебро
…самый тугоплавкий металл – вольфрам
…самый тяжёлый металл – осьмий
…самый электро- и теплопроводный металл – свинец
…самый блестящий металл – медь
…самый лёгкий металл – калий

Домашнее задание: проведете повторный анализ физических свойств металлов по учебнику, исследовательское задание – напишите досье на любой металл, используя научную, справочную литературу по плану:

история открытия
происхождение названия
строение атома
физические свойства
роль в природе и жизни человека

Подведение итогов, комментирование оценок.

Возвращаясь к девизу нашего урока, я думаю, нам сегодня удалось открыть одну из загадок металлов.

Методические рекомендации по выполнению лабораторных и практических работ по учебной дисциплине «Материаловедения» предназначены для студентов среднего профессионального образования по специальности 26.02.06 «Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики»

В данном методическом пособии приведены указания по выполнению практических и лабораторных работ по темам дисциплины, указаны темы и содержание лабораторных и практических работ, формы контроля по каждой теме и рекомендуемая литература.

Данные рекомендации способствуют развитию общих и профессиональных компетенций, постепенному и целенаправленному развитию познавательных способностей.

В результате освоения данной учебной дисциплины студент должен уметь:

˗ выполнять механические испытания образцов материалов;

˗ использовать физико-химические методы исследования металлов;

˗ пользоваться справочными таблицами для определения свойств материалов;

˗ выбирать материалы для осуществления профессиональной деятельности.

В результате освоения данной учебной дисциплины студент должен знать:

˗ основные свойства и классификацию материалов, использующихся в профессиональной деятельности;

˗ наименование, маркировку, свойства обрабатываемого материала;

˗ правила применения смазывающих и охлаждающих материалов;

˗ основные сведения о металлах и сплавах;

˗ основные сведения о неметаллических, прокладочных,

- уплотнительных и электротехнических материалах, стали, их классификацию.

Лабораторные и практические работы позволят сформировать практические навыки работы, профессиональные компетенции. Они входят в структуру изучения учебной дисциплины «Материаловедения», после изучения темы: 1.1. «Основные сведения о металлах и сплавах», 1.2 «Железоуглеродистые сплавы», 1.3 «Цветные металлы и сплавы».

Лабораторные и практические работы представляют собой элемент учебной дисциплины и оцениваются по критериям, представленным ниже:

Оценка «5» выставляется студенту, если:

˗ тематика работы соответствует заданной, студент показывает системные и полные знания и умения по данному вопросу;

˗ работа оформлена в соответствии с рекомендациями преподавателя;

˗ объем работы соответствует заданному;

˗ работа выполнена точно в сроки, указанные преподавателем.

Оценка «4» выставляется студенту, если:

˗ тематика работы соответствует заданной, студент допускает небольшие неточности или некоторые ошибки в данном вопросе;

˗ работа оформлена с неточностями в оформлении;

˗ объем работы соответствует заданному или чуть меньше;

˗ работа сдана в сроки, указанные преподавателем, или позже, но не более, чем на 1-2 дня.

Оценка «3» выставляется студенту, если:

˗ тематика работы соответствует заданной, но в работе отсутствуют значительные элементы по содержанию работы или тематика изложена нелогично, не четко представлено основное содержание вопроса;

˗ работа оформлена с ошибками в оформлении;

˗ объем работы значительно меньше заданного;

˗ работа сдана с опозданием в сроках на 5-6 дней.

Оценка «2» выставляется студенту, если:

˗ не раскрыта основная тема работы;

˗ работа оформлена не в соответствии с требованиями преподавателя;

˗ объем работы не соответствует заданному;

˗ работа сдана с опозданием в сроках больше 7 дней.

Лабораторные и практические работы по своему содержанию имеют определенную структуру, предлагаем рассмотреть ее: ход работы приведен в начале каждой практической и лабораторной работы; при выполнении практических работ студентами выполняется задание, которое указано в конце работы (пункт «Задание для студентов»); при выполнении лабораторных работ составляется отчет по ее выполнению, содержание отчета указано в конце лабораторной работы (пункт «Содержание отчета»).

При выполнении лабораторных и практических работ студентами выполняются определенные правила, рассмотрите их ниже: лабораторные и практические работы выполняются во время учебных занятий; допускается окончательное оформление лабораторных и практических работ в домашних условиях; разрешается использование дополнительной литературы при выполнении лабораторных и практических работ; перед выполнением лабораторной и практической работы необходимо изучить основные теоретические положения по рассматриваемому вопросу.

Практическая работа № 1

«Физические свойства металлов и методы их изучения»

Цель работы : изучить физические свойства металлов, методы их определения.

1.Ознакомьтесь с теоретическими положениями.

2.Выполните задание преподавателя.

3.Составьте отчет в соответствии с заданием.

Теоретическая часть

К физическим свойствам относятся: плотность, плавление (температура плавления), теплопроводность, тепловое расширение.

Плотность - количество вещества, содержащееся в единице объема. Это одна из важнейших характеристик металлов и сплавов. По плотности металлы делятся на следующие группы: легкие (плотность не более 5 г/см 3 ) - магний, алюминий, титан и др; тяжелые - (плотность от 5 до 10 г/см 3 ) - железо, никель, медь, цинк, олово и др. (это наиболее обширная группа); очень тяжелые (плотность более 10 г/см 3 ) - молибден, вольфрам, золото, свинец и др. В таблице 1 приведены значения плотности металлов.

плотность г/см 3

Температура плавления - это температура, при которой металл переходит из кристаллического (твердого) состояния в жидкое с поглощением теплоты.

Температура плавления металлов лежат в диапазоне от −39 °C (ртуть) до 3410 °C (вольфрам). Температура плавления большинства металлов (за исключением щелочных) высока, однако некоторые «нормальные» металлы, например олово и свинец, можно расплавить на обычной электрической или газовой плите.

В зависимости от температуры плавления металл подразделяют на следующие группы: легкоплавкие (температура плавления не превышает 600 o С) - цинк, олово, свинец, висмут и др.; среднеплавкие (от 600 o С до 1600 o С) - к ним относятся почти половина металлов, в том числе магний, алюминий, железо, никель, медь, золото; тугоплавкие (более 1600 o С) - вольфрам, молибден, титан, хром и др. При введении в металл добавок температура плавления, как правило, понижается.

Температура плавления и кипения металлов

Температура o С

Теплопроводность - способность металла с той или иной скоростью проводить теплоту при нагревании.

Электропроводность - способность металла проводить электрический ток.

Тепловое расширение - способность металла увеличивать свой объем при нагревании.

Гладкая поверхность металлов отражает большой процент света - это явление называется металлическим блеском. Однако в порошкообразном состоянии большинство металлов теряют свой блеск; алюминий и магний, тем не менее, сохраняют свой блеск и в порошке. Наиболее хорошо отражают свет алюминий, серебро и палладий - из этих металлов изготовляют зеркала. Для изготовления зеркал иногда применяется и родий, несмотря на его исключительно высокую цену: благодаря значительно большей, чем у серебра или даже палладия, твёрдости и химической стойкости, родиевый слой может быть значительно тоньше, чем серебряный.

Методы исследований в материаловедении

Основными методами исследования в металловедении и материаловедении являются: излом, макроструктура, микроструктура, электронная микроскопия, рентгеновские методы исследования. Рассмотри их особенности более подробно.

1. Излом - самый простой и доступный способ оценки внутреннего строения металлов. Метод оценки изломов, несмотря на свою кажущуюся грубость оценки качества материала, применяется довольно широко в различных отраслях производства и научных исследований. Оценка излома во многих случаях может характеризовать качество материала.

Излом может быть кристаллическим или аморфным. Аморфный излом характерен для материалов, не имеющего кристаллического строения, таких как стекло, канифоль, стекловидные шлаки.

Металлические сплавы, в том числе сталь, чугун, алюминиевые, магниевые сплавы, цинк и его сплавы дают зернистый, кристаллический излом.

Каждая грань кристаллического излома является плоскостью скалывания отдельного зерна. Поэтому излом показывает нам размеры зерна металла. Изучая излом стали, можно видеть, что размер зерна может колебаться в очень широких пределах: от нескольких сантиметров в литой, медленно остывшей, стали до тысячных долей миллиметра в правильно откованной и закаленной стали. В зависимости от размера зерна, излом может быть крупнокристаллический и мелкокристаллический. Обычно мелкокристаллический излом соответствует более высокому качеству металлического сплава.

В случае если разрушение исследуемого образца проходит с предшествующей пластической деформацией, зерна в плоскости излома деформируются, и излом уже не отражает внутреннего кристаллического строения металла; в этом случае излом называется волокнистым. Часто в одном образце в зависимости от уровня его пластичности, в изломе могут быть волокнистые и кристаллические участки. Часто по соотношению площади излома, занятого и кристаллическими участками при данных условиях испытания оценивают качество металла.

Хрупкий кристаллический излом может получаться при разрушении по границам зерен или по плоскостям скольжения, пересекающим зерна. В первом случае излом называется межкристаллитным, во втором транскристаллитным. Иногда, особенно при очень мелком зерне, трудно определить природу излома. В этом случае излом изучают с помощью лупы или бинокулярного микроскопа.

В последнее время развивается отрасль металловедения по фрактографическому изучению изломов на металлографических и электронных микроскопах. При этом находят новые достоинства старого метода исследований в металловедении - исследований излома, применяя к таким исследованиям понятия фрактальных размерностей.

2. Макроструктура - является следующим методом исследования металлов. Макроструктурное исследование заключается в изучении плоскости сечения изделия или образца в продольном, поперечном или любых иных направлениях после травления, без применения увеличительных приборов или при помощи лупы. Достоинством макроструктурного исследования является то обстоятельство, что с помощью этого метода можно изучить структуру непосредственно целой отливки или слитка, поковки, штамповки и т.д. С помощью этого метода исследования можно обнаружить внутренние пороки металла: пузыри, пустоты, трещины, шлаковые включения, исследовать кристаллическое строение отливки, изучать неоднородность кристаллизации слитка и его химическую неоднородность (ликвацию).

С помощью серных отпечатков макрошлифов на фотобумаге по Бауману определяется неравномерность распределения серы по сечению слитков. Большое значение этот метод исследования имеет при исследовании кованых или штампованных заготовок для определения правильности направления волокон в металле.

3. Микроструктура - один из основных методов в металловедении - это исследование микроструктуры металла на металлографических и электронных микроскопах.

Этот метод позволяет изучать микроструктуру металлических объектов с большими увеличениями: от 50 до 2000 раз на оптическом металлографическом микроскопе и от 2 до 200 тыс. раз на электронном микроскопе. Исследование микроструктуры производится на полированных шлифах. На нетравленых шлифах изучается наличие неметаллических включений, таких как оксиды, сульфиды, мелкие шлаковые включения и другие включения, резко отличающиеся от природы основного металла.

Микроструктура металлов и сплавов изучается на травленых шлифах. Травление обычно производится слабыми кислотами, щелочами или другими растворами, в зависимости от природы металла шлифа. Действие травления заключается в том, что он по-разному растворяет различные структурные составляющие, окрашивая их в разные тона или цвета. Границы зерен, отличающиеся от основного раствора имеют травимость обычно отличающуюся от основы и выделяется на шлифе в виде темных или светлых линий.

Видимые под микроскопом полиэдры зерен представляют собой сечения зерен поверхностью шлифа. Так как это сечение является случайным и может проходить на разных расстояниях от центра каждого отдельного зерна, то различие в размерах полиэдров не соответствует действительным различиям в размерах зерен. Наиболее близкой величиной к действительному размеру зерна являются наиболее крупные зерна.

При травлении образца, состоящего из однородных кристаллических зерен, например чистого металла, однородного твердого раствора и др. наблюдается часто различно протравленные поверхности разных зерен.

Это явление объясняется тем, что на поверхности шлифа выходят зерна, имеющие различные кристаллографическую ориентировку, вследствие чего степень воздействия кислоты на эти зерна оказываются разной. Одни зерна выглядят блестящими, другие сильно протравливаются, темнеют. Это потемнение связано с образованием различных фигур травления, по-разному отражающих световые лучи. В случае сплавов, отдельные структурные составляющие образуют микрорельеф на поверхности шлифа, имеющий участки с различным наклоном отдельных поверхностей .

Нормально расположенные участки отражают наибольшее количество света и оказываются наиболее светлыми. Другие участки - более темные. Часто контраст в изображении зернистой структуры связан не со структурой поверхности зерен, а с рельефом у границ зерен. Кроме того, различные оттенки структурных составляющих могут являться результатом образования пленок, образованных при взаимодействии травителя со структурными составляющими.

С помощью металлографического исследования можно осуществлять качественное выявление структурных составляющих сплавов и количественное изучение микроструктур металлов и сплавов, во-первых, путем сравнения с известными изученными микросоставляющими структур и, во-вторых, специальными методами количественной металлографии.

Величина зерна определяется. Методом визуальной оценки, состоящей в том, что рассматриваемая микроструктура, приближенно оценивается баллами стандартных шкал по ГОСТ 5639-68, ГОСТ 5640-68. По соответствующим таблицам, для каждого балла определяется площадь одного зерна и количество зерен на 1 мм 2 и в 1 мм 3 .

Методом подсчета количества зерен на единице поверхности шлифа по соответствующим формулам. Если S - площадь, на которой подсчитывается количество зерен n, а М - увеличение микроскопа, то средняя величина зерна в сечении поверхности шлифа

Определение фазового состава. Фазовый состав сплава чаще оценивают на глаз или путем сравнения структуры со стандартными шкалами.

Приближенный метод количественного определения фазового состава может быть проведен методом секущей с подсчетом протяженности отрезков, занятых разными структурными составляющими. Соотношение этих отрезков соответствует объемному содержанию отдельных составляющих.

Точечный метод А.А. Глаголева. Этот метод осуществляется путем оценки количества точек (точек пересечения окулярной сетки микроскопа), попадающих на поверхности каждой структурной составляющей. Кроме того, методом количественной металлографии производят: определение величины поверхности раздела фаз и зерен; определение числа частиц в объеме; определение ориентации зерен в поликристаллических образцах.

4. Электронная микроскопия. Большое значение в металлографических исследованиях находит в последнее время электронный микроскоп. Несомненно, ему принадлежит большое будущее. Если разрешающая способность оптического микроскопа достигает значений 0,00015 мм = 1500 А, то разрешающая способность электронных микроскопов достигает 5-10 А, т.е. в несколько сот раз больше, чем у оптического.

На электронном микроскопе осуществляют исследование тонких пленок (реплик), снятых с поверхности шлифа или непосредственное изучение тонких металлических пленок, полученных утонением массивного образца.

В наибольшей степени нуждаются в применении электронной микроскопии исследования процессов, связанные с выделением избыточных фаз, например, распад пересыщенных твердых растворов при термическом или деформационном старении.

5. Рентгеновские методы исследования. Одним из наиболее важных методов в установлении кристаллографического строения различных металлов и сплавов является рентгеноструктурный анализ. Этот метод исследования дает возможность определения характера взаимного расположения атомов в кристаллических телах, т.е. решить задачу, не доступную ни обычному, ни электронному микроскопу.

В основе рентгеноструктурного анализа лежит взаимодействие между рентгеновскими лучами и лежащими на их пути атомами исследуемого тела, благодаря которому последние становятся как бы новыми источниками рентгеновских лучей, являясь центрами их рассеяния.

Рассеяние лучей атомами можно уподобить отражению этих лучей от атомных плоскостей кристалла по законам геометрической оптики.

Рентгеновские лучи отражаются не только от плоскостей, лежащих на поверхности, но и от глубинных. Отражаясь от нескольких одинаково ориентированных плоскостей, отраженный луч усиливается. Каждая плоскость кристаллической решетки дает свой пучок отраженных волн. Получив определенное чередование отраженных пучков рентгеновских лучей под определенными углами, рассчитывают межплоскостное расстояние, кристаллографические индексы отражающих плоскостей, в конечном счете, форму и размеры кристаллической решетки.

Цель работы: изучить физические свойства металлов, методы их определения.

Теоретическая часть

металл	плотность г/см 3	металл	плотность г/см 3
Магний	1,74	Железо	7,87
Алюминий	2,70	Медь	8,94
Титан	4,50	Серебро	10,50
Цинк	7,14	Свинец	11,34
Олово	7,29	Золото	19,32

Методы исследований в материаловедении

Физическое состояние

Цвет, прозрачность

Магнитные свойства

Плотность,кг/cм 3

Цель работы: изучить механизм кристаллизации металлов, энергетические условия протекания процесса кристаллизации.

Порядок выполнения работы

1. Изучить теоретические сведения.

2. В тетради для практических работ письменно ответить на контрольные вопросы.

Общее свойство металлов и сплавов - их кристаллическое строение, которое характеризуется определенным расположением атомов в пространстве. Для описания атомно-кристаллической структуры применяют понятие кристаллической ячейки - наименьшего объема, трансляция которого по всем измерениям может полностью воспроизвести структуру кристалла. В реальном кристалле атомы или ионы сближены друг с другом до состояния непосредственного соприкосновения, но для простоты их заменяют схемами, где центры притяжения атомов или ионов изображены точками; наиболее характерные для металлов ячейки показаны на рис. 1.1.

Рис.1.1. Типы кристаллических решеток и расположение в них атомов:

а) гранецентрированная (ГЦК), б) объемноцентрированная (ОЦК), в) гексагональная плотноупакованная (ГЩ)

Любое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном, а переход из одного состояния в другое происходит при определенной температуре и давлении. Большинство технологических процессов происходит при атмосферном давлении, тогда фазовые переходы характеризуются температурой кристаллизации (плавления), сублимации и кипения (испарения).

При увеличении температуры твердого тела растет подвижность атомов в узлах кристаллической ячейки, увеличивается их амплитуда колебаний. При достижении температуры плавления энергии атомов становится достаточно, чтобы покинуть ячейку - она разрушается с образованием жидкой фазы. Температура плавления является важной физической константой материалов. Среди металлов самую низкую температуру плавления имеет ртуть (-38,9 ° С), а наибольшее - вольфрам (3410 ° С).

Обратная картина имеет место при охлаждении жидкости с ее дальнейшим затвердеванием. Вблизи температуры плавления образуются группы атомов, упакованных в ячейки, как в твердом теле. Эти группы являются центрами (зародышами) кристаллизации, на них потом нарастает слой кристаллов. При достижении той же температуры плавления материал переходит в жидкое состояние с образованием кристаллической решетки.

Кристаллизация - переход металла из жидкого состояния в твердое при определенной температуре. Согласно закону термодинаміки, любая система стремится перейти в состояние с минимальным значением свободной энергий - составной внутренней энергии, которая изотермически может быть преобразована в работу. Поэтому металл затвердевает, когда меньше свободной энергией обладает твердое состояние и плавится, когда меньше свободная энергия в жидком состоянии.

Процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов: зарождения центров кристаллизации и роста кристаллов из этих центров. Как отмечалось выше, при близкой к кристаллизации температуре начинается образование новой структуры - центра кристаллизации. С увеличением степени переохлаждения увеличивается количество таких центров, вокруг которых начинают расти кристаллы. В то же время в жидкой фазе образуются новые центры кристаллизации, поэтому увеличение твердой фазы одновременно происходит как за счет возникновения новых центров, так и за счет роста существующих. Суммарная скорость кристаллизации зависит от хода обоих процессов, причем скорости зарождения центров и роста кристаллов зависят от степени переохлаждения ΔТ. На рис. 1.2 схематично показан механизм кристаллизации.

Рис. 1.2. Механизм кристаллизации

Реальные кристаллы называются кристаллитами, они имеют неправильную форму, что объясняется их одновременным ростом. Зародышами кристаллизации могут быть флуктуации основного металла, примеси и различные твердые частицы.

Размеры зерен зависят от степени переохлаждения: при малых значениях ΔТ скорость роста кристаллов велика, поэтому образуется незначительное количество крупных кристаллитов. Увеличение ΔТ приводит к увеличению скорости образования зародышей, количество кристаллитов существенно увеличивается, а их размеры уменьшаются. Однако главную роль при формировании структуры металла играют примеси (неметаллические включения, окислы, продукты раскисления) - чем их больше, тем меньше размеры зерен. Иногда специально проводят модифицирование металла - намеренное введение примесей с целью уменьшения размеров зерен.

При образовании кристаллической структуры важную роль играет направление отвода теплоты, ведь кристалл растет быстрее именно в этом направлении. Зависимость скорости роста от направления приводит к образованию разветвленных древовидных кристаллов - дендритов (рис. 1.3).

Рис. 1.3 Дендритный кристалл

При переходе из жидкого состояния в твердое всегда имеет место избирательная кристаллизация - в первую очередь твердеет более чистый металл. Поэтому границы зерен больше обогащенны примесями, а неоднородность химического состава в пределах дендритов называется дендритной ликвацией.

На рис. 1.4. показано строение стального слитка, в котором можно выделить 3 характерные зоны: мелкозернистую 1, зону столбчатых кристаллов 2 и зону равновесных кристаллов 3. Зона 1 состоит из большого количества неориентированных в пространстве кристаллов, образованных под действием значительной разницы температур между жидким металлом и холодными стенками.

Рис. 1.4. Строение стального слитка

После образования внешней зоны условия отвода теплоты ухудшаются, переохлаждения уменьшается и центров кристаллизации возникает меньше. Из них начинают расти кристаллы в направлении отвода теплоты (перпендикулярно стенкам формы), образуя зону 2. В зоне 3 не существует четкого направления отвода теплоты, а зародышами кристаллизации в ней есть посторонние частицы, вытесненные при кристаллизации предыдущих зон.

1. В каких агрегатных состояниях может существовать материал?

2. Что называется фазовым превращением І рода?

3. Какой процесс называется кристаллизацией, к какому типу фазового превращения он относится?

4. Опишите механизм кристаллизации металла и условия, необходимые для его запуска.

Читайте также: