Как зависит размер зерен металла от степени переохлаждения его при кристаллизации

Обновлено: 01.05.2024

Как влияет степень переохлаждения на величину зерна при кристаллизации?
Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией. Процесс кристаллизации может протекать только при переохлаждении металла ниже равновесной температуры Тп. Разность между температурами Тп и Тк, при которых может протекать процесс кристаллизации, носит название степени
переохлаждения:
ΔТ=Тп-Тк.
Термические кривые, характеризующие процесс кристаллизации чистых металлов при охлаждении с разной скоростью v, показаны на рисунке 1.

Рисунок 1 – Кривые охлаждения металла при кристаллизации (v1 При очень медленном охлаждении степень переохлаждения невелика и процесс кристаллизации протекает при температуре близкой к равновесной Тп. На термической кривой при температуре кристаллизации отмечается горизонтальная площадка (остановка в падении температуры), образование которой объясняется выделением скрытой теплоты кристаллизации, несмотря на отвод теплоты при охлаждении.
С увеличением скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает (кривые υ2, υ3) и процесс кристаллизации протекает при температурах, лежащих значительно ниже равновесной температуры кристаллизации.
Чем больше скорость образования зародышей и меньше скорость роста их, тем меньше размер кристалла (зерна), выросшего из одного зародыша, и, следовательно, более мелкозернистой будет структура металла.
При небольшой скорости переохлаждения ΔТ (малой скорости охлаждения) число зародышей мало. В этих условиях будет получено крупное зерно. С увеличением степени переохлаждения скорость образования зародышей возрастает, количество их увеличивается и размер зерна в затвердевшем металле уменьшается.
Размер зерна металла сильно влияет на его механические свойства. Эти свойства, особенно вязкость и пластичность, выше, если металл имеет мелкое зерно.

Какие процессы протекают при нагреве деформированного металла выше температуры рекристаллизации? Как изменяются при этом структура и свойства?
Рекристаллизация является диффузионным процес­сом и протекает неравномерно, одни зерна зарождаются и растут раньше, другие позднее. После рекристаллиза­ции металл состоит из новых равноосных зерен. Более высокий нагрев приводит к развитию собирательной ре­кристаллизации, т. е. к росту одних рекристаллизованных зерен за счет других, более мелких. Чем выше тем­пература нагрева, тем интенсивнее идет собирательная рекристаллизация, так как с повышением температуры диффузионные процессы протекают быстрее и создаются условия для образования крупнозернистого металла. Собирательная рекристаллизация также протекает не­равномерно и практически начинается значительно рань­ше, чем закончится рекристаллизация обработки.


Рисунок 1 – Схема влияния на величину рекристаллизованного зерна температуры (а) и продолжительности нагрева (б)
Размер рекристаллизованного зерна оказывает боль­шое влияние на свойства металла. Наилучшее сочетание прочности и пластичности наблюдается в мелкозерни­стых сталях. На величину рекристаллизованного зерна оказывает влияние температура рекристаллизационного отжига (рисунок 1, а), продолжительность процесса (рисунок 1, б), степень предварительной деформации и химический состав металла. Чем выше темпера­тура отжига и длительнее процесс, тем больше размер рекристаллизованного зерна.

Рисунок 2– Схема влияния температуры на механические свойства и структуру деформированного металла
При нагреве по достижении температуры начала рекристаллизации (tнр) предел прочности и особенно предел текучести резко снижаются, а пластичность увеличивается. В процессе собирательной рекристаллизации механические свойства практически не изменяются. Более высокий нагрев сопровождается дальнейшим ростом зерна и уменьшением пластичности вследствие перегрева.


Вычертите диаграмму состояния железо – карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 0,6% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?
Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линию AHJECF (линию солидус).
При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидко­го раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в α-железе (δ-раствор). Процесс кристаллиза­ции сплавов с содержанием углерода до 0,1% заканчи­вается по линии АН с образованием α (δ)-твердого раст­вора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в γ-железе, т. е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE.
При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3 % до 6,67% углерода, при темпера­турах, соответствующих линии CD, начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристал­лизующийся из жидкой фазы, называется первичным. B точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3% образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой ЖР4,3Л[А2,14+Ц6,67]. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита.
Таким образом, структура чугунов ниже 1147°С будет: доэвтектических — аустенит + ледебурит, эвтектических — ледебурит и заэвтектических — цементит (первичный)+ледебурит.
Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при охлаждении γ-железа в α-железо и распадом аустенита.
Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита.
Линия ЕS показывает температуры начала выделения цементита из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом.
В точке S при температуре 727°С и концентрации углерода в аустените 0,8 % образуется эвтектоидная смесь состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой А0,8П[Ф0,03+Ц6,67].
Линия PQ показывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом.
Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точкаQ), являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03% – структуру феррит+цементит третичный и называются техническим железом.
Доэвтектоидные стали при температуре ниже 727ºС имеют структуру феррит + перлит и заэвтектоидные – перлит + цементит вторичный в виде сетки по границам зерен.
В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147–727ºС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода(линия ES). По достижении температуры 727ºС (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращаясь в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита превращенного (перлит + цементит).
Структура эвтектических чугунов при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.
Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:
C = K + 1 – Ф,
где С – число степеней свободы системы;
К – число компонентов, образующих систему;
1 – число внешних факторов (внешним фактором считаем только температуру, так как давление за исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях);
Ф – число фаз, находящихся в равновесии.
Сплав железа с углеродом, содержащий 0,6% С, называется доэвтектоидной сталью. Его структура при комнатной температуре – Феррит + Перлит.

а) б)
Рисунок 3: а-диаграмма железо-цементит, б-кривая охлаждения для сплава, содержащего 0,6% углерода

Что такое нормализация? Используя диаграмму состояния железо-цементит, укажите температуру нормализации стали 45 и стали У12. Опишите превращения, происходящие в сталях при выбранном режиме обработки, получаемую структуру и свойства.
Нормализацией называется нагрев доэвтектоидной стали до температуры выше Ас3, а заэвтектоидной – выше Аcm на 40-50°С с последующим охлаждением на воздухе. При нормализации происходит перекристаллизация стали, устраняющая крупнозернистую структуру, полученную при литье или ковке. В результате охлаждения на воздухе распад аустенита на ферритно-цементитную смесь происходит при более низких температурах, а, следовательно, повышается дисперсность смеси.
Назначение нормализации различно в зависимости от состава стали.
Для среднеуглеродистой стали 45 нормализацию применяют вместо закалки и высокого отпуска (улучшения). Механические свойства при этом понижаются, но уменьшается деформация изделий по сравнению с получаемой при закалке. Критическая точка Ас3 стали 45 равна 770ºС. Поэтому температура нагрева в соответствии с определением нормализации составляет 810-820ºС. При этой температуре имеем структуру аустенита (100%). При снижении температуры до Аr3 начинают появляться первые зерна феррита. При дальнейшем снижении температуры до Аr1 из аустенита будут образовываться только зерна феррита, а содержание углерода в остающемся аустените будет увеличиваться и при температуре Аr1 достигнет 0,8%. При снижении температуры ниже Аr1 из аустенита будет образовываться перлит.
Сталь 45 после нормализации имеет структуру перлита и феррита. Механические свойства стали 45 после нормализации: σВ = 610 МПа; σТ = 360 МПа; δ = 16%; ψ = 40%; KCU = 0,5 МДж/м2.
В заэвтектоидной стали У12 нормализация устраняет грубую сетку вторичного цементита. Критическая точка Асm стали У12 равна 820ºС. Поэтому температура нагрева в соответствии с определением нормализации составляет 850-860ºС. При этой температуре имеем структуру аустенита (100%). При снижении температуры до Аrm начинают появляться первые зерна цементита. При дальнейшем снижении температуры до Аr1 из аустенита будут образовываться только зерна цементита, а содержание углерода в остающемся аустените будет уменьшаться и при температуре Аr1 достигнет 0,8%. Ускоренное охлаждение на воздухе способствует тому, что цементит не успевает образовать грубую сетку, понижающую свойства стали. При снижении температуры ниже Аr1 из аустенита будет образовываться перлит.
Сталь У12 после нормализации имеет структуру перлита и цементита. Твердость HB стали У12 после нормализации 2690-3410 МПа


Режущий инструмент требуется обработать на максимальную твердость. Для его изготовления выбрана сталь У13А. Назначьте режим термической обработки, опишите структуру и свойства стали.
Термической обработкой, обеспечивающей получение максимальной твердости инструментальной стали У13А, является закалка с последующим низким отпуском.

Сталь У13А в исходном (отожженном) состоянии имеет структуру зернистого перлита, низкую твердость (HB 170-180) и хорошо обрабатывается резанием. Отжиг проводится при температуре 760-780ºС.
Температура закалки инструментальной стали У13А равна 760-780ºС, т.е. несколько выше Ас1, но ниже Асm для того, чтобы в результате закалки сталь получала мартенситную структуру и сохраняла мелкое зерно и нерастворенные частицы вторичного цементита. Закалку проводят в водных растворах солей. Структура стали У13А после закалки мартенсит + цементит.
После закалки для снятия напряжений и стабилизации структуры и размеров изделия подвергают низкому отпуску. Температура нагрева составляет 160-180ºС. Средой нагрева могут служить мало, расплав селитры, щелочи. Структура стали У13А после отпуска отпущенный мартенсит + цементит.
В результате сталь имеет твердость 61-63 HRC.
Углеродистую сталь У13А можно использовать в качестве режущего инструмента только для резания материалов с малой скоростью, так их высокая твердость сильно снижается при нагреве выше 190-200ºС.

Размер зерна литого материала

Изменение степени переохлаждения оказывает влияние на кристаллизационные параметры так же как на число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов. Она практически определяет получаемую при кристаллизации структуру литого металла, величину его зерен. С увеличением степени переохлаждения увеличиваются оба кристаллизационных параметра, однако, темп возрастания количества зародышей больше, чем темп возрастания линейной скорости их роста. Кроме того, максимум кривой скорости роста кристаллов с относительно кривой изменения числа центов кристаллизации смещен в сторону меньших степеней переохлаждения. Поэтому с увеличением степени переохлаждения число зерен возрастает, а их размер уменьшается. Таким образом, увеличение степени переохлаждения при кристаллизации способствует мелкозернистости литого металла. Наибольшая степень измельчения структуры может быть получена при тех степенях переохлаждения, когда скорость роста уже уменьшается, а число возникающих зародышей еще продолжает расти.

Изменение размера зерен при кристаллизации можно описать зависимостью, обнаруженной экспериментально:

где d- размер зерна; v - скорость охлаждения при кристаллизции; A и n - константы, которые мало отличаются для различных сплавов.

Расчеты, подтвержденные экспериментально, показывают, что для алюминиевых, магниевых, никелевых сплавов при А = 100 мкм, n = 0,4 и высокой скорости скорости кристаллизации 10 6 °С/с, размер дендритной ячейки, составляет d = 0,4 мкм, что на несколько порядков меньше размера зерна сплавов, кристаллизуемых с малыми скоростями охлаждения (например, 10 °С/с).

При еще больших скоростях охлаждения, например, после оплавления поверхности металла лучом лазера, образующиеся кристаллы могут получить размеры, соизмеримые с несколькими десятками межатомных расстояний, что соответствует формированию рентгеноаморфного состояния закристаллизованного металла.

На кинетику процесса кристаллизации, на количество и размеры кристаллизирующихся зерен, кроме чисто тепловых процессов, оказывают влияние вторичные факторы. К ним относится случайное (из шихтовых материалов) наличие в расплаве жидкости посторонних нерастворимых частиц, их специальное введение модифицированием, возникновение в расплаве флуктуаций свободной энергии под действием дополнительного воздействия, например, при обработке расплава ультразвуком или механической вибрацией.

Кристаллизация без каких-либо посторонних воздействий или без наличия готовых центров кристаллизации называется самопроизвольной, при наличии готовых центров -несамопроизвольной.

Изменяя число активных частиц - катализаторов кристаллизации, можно изменять размер зерна в широких пределах. На этом основан широко применяемый в металлургии способ получения мелкого зерна, называемый модифицированием. Существует несколько способов модифицирования, изучаемые в специальных курсах металлургии металлов и сплавов. Согласно одному из них, в расплав вводят множество дисперсных нерастворимых частиц, которые при последующем охлаждении способствуют интенсивному развитию несамопроизвольной кристаллизации, в результате чего отливка получается мелкозернистой. В другом случае, в жидкий металл вводят небольшое количество растворимых добавок, которые понижают поверхностное натяжение, на границе раздела между жидкой и твердой фазой, снижая флуктуации свободной энергии необходимой для образования зародыша, что, в конечном счете, приводит к образованию большого числа зародышевых центров.

При обработке расплава ультразвуком в процессе кристаллизации возможно несколько механизмов измельчения зерна литого материала. Во-первых, ввод колебаний в расплав осуществляется с помощью металлических инструментов. Ультразвуковая эрозия рабочего торца волновода приводит к попаданию в расплав мельчайших частиц материала волновода, которые модифицируют сплав, изменяя зерно. Во-вторых, ввод ультразвуковых колебаний в расплав приводит к развитию процессов кавитации, при которой в расплаве возникают локальные скачки давления в его микрообъемах достигающие нескольких сот или тысяч атмосфер. Такое локальное выделение энергии в расплаве действует как модифицирование, увеличивая количество центров кристаллизации.

В-третьих, кавитационные процессы, развивающиеся в процессе кристаллизации, могут разрушать, диспергировать уже образовавшиеся сравнительно крупные зародышевые кристаллы, тем самым увеличивая их количество.

Возникновение ультразвукового ветра способствует активному перемешиванию расплава, обеспечивающего равномерное распределение образовавшихся зародышевых центров в объеме расплава.Ультразвуковые колебания измельчают макростроение отливки или слитка и способствуют измельчению микроструктуры металла.

Применение вибрации при кристаллизации вызывает аналогичное действие за исключением специфических особенностей воздействия ультразвука. В процессе вибрационной кристаллизации также изменяется макростроение отливок.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ. 1.1. Тепловые процессы при кристаллизации.Любое вещество может находиться в одном из четы­рех агрегатных состояний: твердом

1.1. Тепловые процессы при кристаллизации.Любое вещество может находиться в одном из четы­рех агрегатных состояний: твердом, жидком, газообразном и плазменном. Агрегатное состояние определяется энер­гией взаимодействия атомов. Стабильным (равновесным) при определенных внешних условиях является состояние вещества, при котором оно обладает минимумом свободной энергии. Свободная энергия — часть внутренней энергии вещества. Внутренняя энергия веще­ства — это сумма потенциаль­ной энергии (энергии взаи­модействия) и кинетической энергии частиц (тепловые колебания). Часть внутрен­ней энергии, высвобождающаяся при переходе вещества из одного состояния в другое, называется свободной энергией. Чем больше высвободится свободной энергии, тем меньшей энергией будет обладать вещество, тем более стабильно его состояние. Свободную энергию можно представить как аналог потенциальной энергии (рис. 1).

В положении 1 шарик имеет максимальную потенциальную энергию. Это положение не является устойчивым, шарик скатывается в положение 2, при котором его потенциальная энергия будет равна 0. Вещество может находиться в метастабильном состоянии (закаленная сталь). Такое состояние не обладает минимумом свободной энергии, но является достаточно устойчивым (стабильным). Вещество в метастабильном состоянии может находиться бесконечно долго при условии постоянства внешних факторов.

Кри­сталлизация — это переход металла из жидкого состояния в твердое состояние с образованием кристаллического строения. Это первичная кристаллизация (в отличие от вторичной, когда кристаллы металлических фаз выделяются из твердого вещества). Рассмотрение кристаллизации для металлов и сплавов на их основе связано с тем, что эти материалы получают методом литья, тогда как многие неметаллические матери­алы производят другими способами. Ряд неметаллических материалов существует в природном виде (углерод), мно­гие химические соединения получают путем химических реакций: карбиды — карбидизацией, нитриды — азотирова­нием и т.п.

Процесс кристаллизации (затвердевания) обусловлен стремлением системы к переходу в более устойчивое термодинамическое состояние. При изменении внешних условий, например темпе­ратуры, свободная энергия системы меняется различно для жидкого и твердого (кристаллического) состоя­ния (рис. 2). Выше темпе­ратуры Ts более стабильным является жидкое состояние, так как металл в этом состоянии имеет меньший запас свободной энергии. Ниже температуры Ts меньшим запасом свободной энергии обладает металл в твердом состоянии. При темпера­туре величины свободных энергий твердого и жидкого состояний равны. Это озна­чает, что металл может нахо­диться в обоих состояниях бесконечно долго, так как пере­ход из одного состояния в другое не будет сопровождаться уменьшением свободной энергии. Температура Ts получила название теоретической температуры кристаллизации.

Для начала кристаллизации необходимо, чтобы свобод­ная энергия металла в твердом состоянии стала меньше свободной энергии жидкого состояния. Это становится воз­можным при охлаждении жидкости ниже Ts. Температура, при которой фактически начинается процесс кристаллиза­ции, называется фактической температурой кристаллиза­ции (Тк). Охлаждение жидкого металла ниже теоретической температуры кристаллизации называется переохлаждение, а разность между теоретической и фактической температу­рой кристаллизации — степенью переохлаждения (ΔТ):

Степень переохлаждения зависит от скорости охлажде­ния жидкого металла. С увеличением скорости охлаждения понижается фактическая температура кристаллизации и, следовательно, возрастает степень переохлаждения.

Процесс кристаллизации можно описать с помощью кривых охлаждения, построенных в координатах «тем­пература — время» (рис. 3). Охлаждение в жидком состоянии сопровождается плавным понижением температуры (участок 1 кривой охлаждения), при достижении температуры кристаллизации на кри­вой охлаждения появля­ется горизонтальная пло­щадка (участок 2 кривой охлаждения), т.е. охлаж­дение (понижение темпе­ратуры) останавливается. Это вызвано тем, что отвод тепла компенсируется выделяющейся в процессе кристаллизации скрытой теплотой кристаллиза­ции. После полного перехода металла из жидкого состояния в твердое температура вновь начинает плавно снижаться (участок 3 кривой охлаждения). Увеличение скорости охлаждения от V1 до V3 приводит к увеличению степени переохлаждения (рис. 3).

Кристаллизация начинается с образования в жидком металле центров кристаллизации и продолжается за счет роста их числа и размеров (рис. 4). Процесс кристаллизации можно охарактеризовать двумя параметрами: числом центров кристаллизации (ЧЦ), образующихся в единицу времени в единице объема (1 см 3 /с), и скоростью роста кристаллов (СК) [мм /с]. Эти параметры зависят от степени переохлаждения, а следовательно, от скорости охлаждения при кристалли­зации металла. В соответ­ствии с законом Таммана для каждой степени пере­охлаждения указанные пара­метры могут иметь только одно значение (рис. 5).

При теоретической темпе­ратуре кристаллизации (Ts) значения ЧЦ и СК равны 0 и кристаллизация происходить не может. При повышении степени переохлаждения значения ЧЦ и СК возрастают, процесс кристаллизации идет быстро. Это объясняется тем, что при высоких температурах, близких к Тs подвижность атомов велика. При определенных степенях переохлажде­ния значения ЧЦ и СК достигают максимума, после чего снижаются вследствие уменьшения подвижности атомов при низких температурах.

Размер образовавшихся в процессе кристаллизации зерен зависит от соотношения величин ЧЦ и СК, т.е. определяется степенью переохлаждения (скоростью охлаждения
металла в процессе кристаллизации). При малых степенях переохлаждения (низкой скорости охлаждения металла) образуется малое число центров кристаллизации, которые
растут с большой скорости. В этом случае структура металла после окончания кристаллизации будет крупнозернистой. При больших степенях переохлаждения, напротив, ЧЦ велико, а СК мала, поэтому структура металла получается мелкозернистой.

Если степень переохлаждения настолько велика, что значения ЧЦ и СК близки к пулю, кристаллизации не происходит. При этом образуется твердое тело, имеющее не кристаллическое строение с «правильным» расположением атомов, а аморфное — с хаотическим расположением атомов — «твердая жидкость».

Аморфное состояние характерно для неметаллических материалов (стекла, полимеры). Для получения аморфного состояния у металлических материалов требуется очень большая скорость охлаждения 10 6 . 10 7 °С/с.

1.2. Метод термического анализа. Известно, что любое изменение состояния металлов и сплавов (фазовое, внутрифазовое или структурные превращения) вызывает изменение энтальпии, а потому должно сопровождаться тепловым эффектом - выделением или поглощением тепла. Таким образом, если при нагреве или охлаждении удается зафиксировать тепловой эффект, о котором можно судить и по изменению температуры металла, то можно выявить вид превращения и определить условия, способствующие или тормозящие превращение.

В практике металловедения наибольшее применение получил термический анализ, экспериментальная техника проведения которого является менее сложной. В случае термического анализа изменение энтальпии характеризуется изменением температуры, обычно фиксируемой в функции времени нагрева или охлаждения металла.

На рис. 6. показана схема установки для определения критических точек металлов и сплавов методом термического анализа. Схема установки для определения критических точек. Установка состоит из электропечи 1, в которую помещен тигель 2 с исследуемым металлом или сплавом, термопары 3, термостата 4, соединительных проводов 5 и милливольтметра 6. Температура сплава измеряется с помощью термоэлектрического пирометра, состоящего из термопары и милливольтметра. «Горячий» спай термопары, защищенный металлическим или фарфоровым чехлом, погружают в изучаемый расплав, а «холодный» спай - в термостат с постоянной температурой (0° С или 20 ° С). В этом случае показания прибора будут пропорциональны температуре «горячего» спая. Для получения более точной кривой охлаждения применяют автоматическую регистрацию с записью данных на компьютере.

1.3. Влияние химического состава сплава на термограмму кристаллизации.Использование различных схем термического анализа в сочетании с высокочувствительной измерительной аппаратурой позволяет достаточно надежно определять температуры превращений при изменении агрегатного состояния (например, при плавлении или затвердевании), при полиморфном превращении, эвтектоидном и других превращениях. Построение линий ликвидуса — солидуса на диаграммах состояния. Плавление и затвердевание относятся к числу фазовых превращений 1 рода и поэтому сопровождаются резким изменением энтальпии и, соответственно, значительными тепловыми эффектами. Так, теплота кристаллизации алюминия 394 кДж/кг; меди 180 кДж/кг, никеля 306 кДж/кг, железа 272 кДж/кг.

При нагревании или охлаждении тела в условиях равномерного подвода или отвода тепла количество тепла, сообщенного телу или отведенного от него, пропорционально времени. Поэтому информацию о тепловом эффекте и о вызвавшем его превращении дают зависимости температура—время. Хотя величину указанного эффекта при данной температуре непосредственно характеризует зависимость энтальпия—температура, однако ее установление в эксперименте затруднительно.

На практике строят кривые нагрева охлаждения (термограммы). По этим термограммам можно судить о температуре и характере превращений и строить линии ликвидуса и солидуса. На рис.6 приведены примеры кривых охлаждения для соответствующих сплавов системы «свинец-сурьма», составы которых указаны на диаграмме состояния.

Если жидкий металл или сплав допускает значительное переохлаждение (сплавы эвтектического состава или чистые металлы), то в начальной стадии кристаллизации скрытая теплота этого превращения выделяется очень бурно, поэтому металл быстро нагревается до равновесной температуры затвердевания, при которой и происходит дальнейший процесс кристаллизации. Если затвердевание происходит в интервале температур, например у твёрдых растворов, доэвтектических или заэвтектических сплавов, кривые охлаждения на стадии полного затвердевания имеют лишь незначительный изотермический эффект.

Чтобы этим кривым можно было надёжно строить диаграммы состояния необходимо обеспечить равномерность нагрева и охлаждения, чтобы на этих кривых не появились ложные перегибы, которые можно принять за температуры в действительности отсутствующих превращений.

Задание

1. Изучить диаграмму фазовых превращений исследуемых сплавов и методику проведения термического анализа.

2. Получить у преподавателя тигли со сплавами

3. Собрать автоматизированную установку для проведения термического анализа

4. Провести термический анализ сплавов.

5. Для каждого по кривой охлаждения определить температурные точки начала и конца кристаллизации.

Кристаллизация металлов

Кристаллизация обусловлена стремлением системы при определен­ных условиях перейти к энергетически более устойчивому состоянию с меньшей свободной энергией F. На рис. 1.3 показана зависимость изменения свободной энергии для жидкой и твердой фаз от измене­ния температуры системы. Меньшей свободной энергией вещество в жидком состоянии обладает при температуре выше, а в твердом - ниже теоритической температуры плавления (точка Ts). В реальных условиях процесс кристаллизации не может начаться при температу­ре Ts, так как при данной температуре система находится в состоянии равновесия (Fж = Fт). Для того чтобы процесс кристаллизации начался, жидкость необходимо охладить ниже точки Ts. Температура, при ко­торой реально начинается процесс кристаллизации, называется фак­тической температурой кристаллизации (Ткр). Разность между теоре­тической температурой Ts и реальной температурой Ткр , при которой протекает кристаллизация, называется степенью переохлаждения сис­темы ∆T. При нагреве переход из твердого в жидкое состояние также начинается при определенной степени перегрева системы ∆T.


Рис. 1.3. Изменение свободной энергии F металла в жидком (Fж) и твердом (Fт) состоянии в зависимости от температуры Т

Выделяют два вида кристаллизации:

o первичная - переход металла из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллической структуры;

o вторичная - образование новых кристаллов в твердом кристал­лическом веществе.

Кристаллизацию металлов и сплавов исследуют с помощью тер­мического анализа, суть которого заключается в регистрации темпера­туры системы через равные промежутки времени. Для этого в тигель 1 (рис. 1.4, а) с расплавленным металлом погружают термоэлектриче­ский термометр (термопару) 2, подключенный к регистрирующему потенциометру 3. На основании полученных данных в координатах температура - время строят кривую охлаждения (рис. 1.4, б), которая отражает последовательность протекания процесса кристаллизации.

На рис. 1.5 приведены кривые охлаждения металла при кристал­лизации с различной скоростью охлаждения.

Верхний участок кривой охлаждения показывает понижение тем­пературы жидкого металла. При температуре, соответствующей горизонтальному участку, происходит процесс затвердевания жидкого металла. Выделение скрытой теплоты кристаллизации способствует сохранению постоянной температуры в течение всего времени, необ­ходимого для завершения процесса. Нижний участок кривой соответ­ствует охлаждению закристаллизовавшегося металла. Тонкой гори­зонтальной линией на диаграмме показано значение теоретической температуры кристаллизации Ts. Из рис. 1.5 видно, что по мере увели­чения скорости охлаждения (V1< V2< V3) степень переохлаждения расплава возрастает и кристаллизация начинается при более низких температурах. Период кристаллизации при этом сокращается.


Рис. 1.4. Кристаллизация металлов:

а - схема установки для регистрации процесса; б - кривая охлаждения и схе­ма процесса кристаллизации (L - жидкое состояние, α - твердое состояние)

Основы теории кристаллизации были разработаны более 100 лет назад основоположником науки о металлах - металловедения - Д.К. Черновым, который установил, что кристаллизация состоит из двух процессов: зарождения мельчайших частиц твердого вещества, называемых зародышами, или центрами кристаллизации, и роста кри­сталлов из этих центров. При охлаждении металла ниже Ts в различ­ных участках жидкого металла образуются устойчивые, способные к росту кристаллические зародыши. С понижением температуры рас­плава количество зародышей возрастает. В реальных условиях центры кристаллизации образуются на тугоплавких неметаллических вклю­чениях.


Рис. 1.5. Влияние скорости охлаждения на процессы кристаллизации: а - кривые охлаждения чистого металла; б - влияние степени переохлажде­ния ∆Т на скорость зарождения (СЗ) и скорость роста (СР)

Рост кристалла заключается в том, что к поверхности зародышей присоединяются все новые атомы жидкого металла. Сначала образо­вавшиеся кристаллы растут свободно, сохраняя правильную геомет­рическую форму. При столкновении растущих кристаллов их форма нарушается, и в дальнейшем рост продолжается только там, где есть свободный доступ к расплаву. В результате кристаллы не имеют пра­вильной геометрической формы. Такие кристаллы называются зерна­ми. Размер зерен зависит от скорости зарождения центров кристалли­зации (СЗ) и скорости роста кристаллов (СР). На рис. 1.5, б показана зависимость этих параметров от степени переохлаждения расплава.

тесты по материаловедению
тест

С точки зрения их внутреннего строения, свойства металлов зависят от:

  1. химического состава
  2. типа кристаллической решетки.
  3. количества компонентов
  4. температуры

От степени переохлаждения металла при кристаллизации размер зерен зависит от:

  1. Чем больше степень переохлаждения, тем крупнее зерно.
  2. Размер зерна не зависит от степени переохлаждения.
  3. Чем больше степень переохлаждения, тем мельче зерно.
  4. Зависимость неоднозначна: с увеличением переохлаждения зерно одних металлов растет, других - уменьшается.

Процесс кристаллизации металла или сплава-это:

1. переход из твердого состояния в жидкое;

2. переход из твердого состояния в газообразное;

3. переход в аморфное состояние;

4. переход из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллической структуры

Макроскопический анализ материалов позволяет определить:

  1. химический состав
  2. механические свойства
  3. форму и размер зерен
  4. макродефекты

Прочность – это способность материала:

  1. Сопротивляться действию внешних сил без разрушения
  2. Восстанавливать первоначальную форму после снятия нагрузки
  3. Сопротивляться проникновению более твердого материала
  4. способность материала изменять свою форму под действием внешней нагрузки и восстанавливать ее после снятия
  1. способность материала выдерживать нагрузки не разрушаясь
  2. способность материала изменять свою форму при приложении внешних нагрузок не разрушаясь
  3. способность материала изменять свою форму под действием внешней нагрузки и восстанавливать ее после снятия
  4. Сопротивляться проникновению более твердого материала

Мерой внутренних сил, возникающих в материале под влиянием внешних воздействий является:

Свойство материалов сопротивляться разрушению называется:

  1. плотность
  2. прочность
  3. деформирование
  4. упругость

Существование одного и того же химического элемента в виде двух и более простых веществ, различных по строению и свойствам называется:

  1. Аллотропия
  2. Пластичность
  3. Прочность
  4. Кристаллизация

Механическим свойством является:

  1. жидкотекучесть
  2. теплопроводность
  3. твердость
  4. свариваемость
  1. Температура, при которой металл полностью переходит из твердого состояния в жидкое.
  2. Способность металла, не разрушаясь, изменять форму под действием нагрузки и сохранять измененную форму после того, как нагрузка будет снята.
  3. Свойство металла, характеризующее способность его подвергаться обработке резанием.
  4. Способность металла или сплава в расплавленном состоянии заполнять литейную форму.
  1. Способность металла образовывать сварной шов, без трещин.
  2. Способность материала сопротивляться внедрению в него, более твердого тела
  3. Свойство тел проводить с той или иной скоростью тепло при нагревании.
  4. Уменьшение объема или линейных размеров расплавленного металла или сплава при его охлаждении до комнатной температуры.

Способность тел проводить тепло при нагревании — это:

  1. температура плавления;
  2. теплопроводность;
  3. теплоемкость;
  4. плотность.

Физическим свойством является:

  1. теплопроводность,
  2. кислотостойкость,
  3. окалиностойкость;
  4. жаростойкость

Испытаниями на растяжение определяют свойства металлов:

Испытаниями на стойкость против коррозии определяют свойства металлов:

  1. остается после снятия нагрузки;
    2. исчезает после снятия нагрузки;
    3. после снятия нагрузки появляется трещина;

4. пропорциональна приложенному напряжению

К химическим свойствам металлов относятся:

1. износостойкость;
2. твёрдость;
3. теплопроводность;
4. коррозионностойкость

К физическим свойствам металлов относятся:

1. износостойкость ;
2. твёрдость ;
3. теплопроводность;
4. коррозионностойкость.

1.способность материала сопротивляться действию внешних сил без разрушения

2. способность материала изменять свою форму и размеры под действием внешних сил

3. способность материала восстанавливать первоначальную форму и размер после прекращения действия внешних сил

4. способность материала оказывать сопротивление проникновению в него другого более твердого тела

Продуктами доменного процесса являются:

Химическое соединение Fe 3 С называется:

1. сплавы железа с углеродом, содержащие до 0,02 % углерода
2. сплавы железа с углеродом, содержащие от 0,02 % до 2.14 % углерода

3. сплавы железа с углеродом, содержащие от 2,14 до 6,67 % С
4. сплавы железа с углеродом, содержащие 0,8 % С

Чугунами называют:
1. сплавы железа с углеродом, содержащие до 0,02 % углерода
2. сплавы железа с углеродом, содержащие от 0,02 % до 2.14 % углерода
3. сплавы железа с углеродом, содержащие от 2,14 до 6,67 % С
4. сплавы железа с углеродом, содержащие 0,8 % С

Чугун, в котором весь углерод находится в виде химического соединения Fe 3 С, называется:
1. серым
2. ковким
3. белым
4. высокопрочным

Чугуны с пластинчатой формой графита называются:
1. серыми
2. ковкими
3. белыми
4. высокопрочными

Чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму называются:
1. серыми
2. ковкими
3. белыми
4. высокопрочными

Чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму называется:
1. серым
2. ковкими
3. белыми
4. высокопрочными

Целью легирования является:

1. создание сталей с особыми свойствами
2. получение гладкой поверхности
3. повышение пластических свойств
4. уменьшения поверхностных дефектов

Маркой углеродистой инструментальной стали является:

Сталь из чугуна можно получить, если:

1. увеличить содержание углерода;

2. уменьшить содержание углерода;

3. уменьшить содержание примесей;

4. увеличить содержание примесей;

5. добавить легирующие элементы.

Вредной примесью в чугунах является:

Железо и его сплавы принадлежит к:

  1. К тугоплавким металлам
  2. К черным металлам
  3. К диамагнетикам
  4. К металлам с высокой удельной прочностью.

В белом чугуне графит имеет форму:

  1. Хлопьевидная.
  2. В белом чугуне графита нет.
  3. Шаровидная.
  4. Пластинчатая.

Маркой высококачественной стали является:

Маркой углеродистой качественной конструкционной стали является:

Маркой полуспокойной стали является:

Качество стали зависит от содержания:

1. серы и фосфора

2.фосфора и марганца

3.серы и кремния

4.кремния и марганца

СЧ15 – одна из марок серого чугуна с пластинчатым графитом. Цифра 15 означает:

1. содержание углерода в процента

2. относительное удлинение

3. предел прочности при растяжении

4. твёрдость по Бринеллю

Основным легирующим элементом быстрорежущей стали является:

1. хром
2. кобальт
3. кремний
4. вольфрам

Количество углерода в Стали 20 равно:

Латуни и бронзы – это сплавы на основе:

Маркой, обозначающей латунь, является:

Маркой литейной оловянной бронзы является:

Алюминиевый сплав дюралюмин, обозначается:

Охлаждение заготовок совершается в машинном масле при…

Процесс насыщения поверхности металлического изделия углеродом- это…

Сущностью химико-термической обработки стальных изделий является:

1. изменение кристаллической структуры детали;

2. изменение кристаллической структуры поверхностного слоя;

3. изменение химического состава поверхностного слоя;

4. окисление поверхностного слоя;

Добавки, которые делают пластмассу эластичным называются:

Добавки, которые способствуют предотвращению старения пластмассы называются:

Читайте также: