При какой (каких) температуре (температурах) возможен процесс кристаллизации.

Теория сплавов

Кристаллизация металлов

В жидком металле(МL) при высоких t₀ атомы находиться в беспорядочном движении. Правильное кристаллическое строение МL приобретают в процессе затвердения, т.е. при переходе из жидкого состояния в твердое.

Процесс образования кристаллов при переходе вещества из жидкого состояния в твердое называется ПЕРВИЧНОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИЕЙ.

Процесс изменения кристаллического строения вещества в твердом состоянии называется ВТОРИЧНОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИЕЙ.

Как всякий спонтанный процесс, кристаллизация протекает при термодинамических условиях, обеспечивающих снижение свободной энергии Гиббса системы F:

F = U – TS,

где U – внутренняя энергия, T – температура, S – энтропия.

С повышением температуры свободная энергия вещества, как в твердом, так и в жидком состоянии уменьшается

 

F_Ж

 

F_ТВ

 

T_S

Температура

 

Температура, при которой свободная энергия в твердом и жидком состояниях равна, называется равновесной или теоретической температурой кристаллизации.

Для начала процесса кристаллизации необходимо, чтобы процесс сопровождался уменьшением свободной энергии. Это возможно при охлаждении жидкости ниже температуры Т_S. Температура, при которой практически начинается кристаллизация называется фактической температурой кристаллизации.

Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации называется переохлаждением, которое характеризуется степенью переохлаждения ( DТ):

DТ = Т_S - T_КР

Степень переохлаждения зависит от природы металла, от степени его загрязнения (чем чище металл, тем больше степень переохлаждения), от скорости охлаждения (чем выше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждения).

Для изучения кристаллизации строят кривые охлаждения, которые показывают изменения t⁰ c течением времени по мере охлаждения расплавленного ML.

ТКР

ТКР

ТКР

V3

V2

Т, °С

t, время

Тs равновесная тем-ра кристаллизации

V1

До точки Т_КР охлаждается металл в жидком состоянии, процесс сопровождается плавным понижением температуры. На горизонтальном участке идет процесс кристаллизации, сопровождающийся выделением тепла, которое называется скрытой теплотой кристаллизации. Оно компенсируется рассеиванием теплоты в пространство, и поэтому температура остается постоянной. После окончания кристаллизации температура снова начинает снижаться, металл охлаждается в твердом состоянии.

Кристаллизация складывается из двух процессов – зарождения центров кристаллизации и роста кристаллов из этих центров. Скорость каждого из процессов зависит от степени переохлаждения. При DТ = 0 образование зародышей кристаллов невозможно, т.к. равна нулю разность энергий Гиббса жидкого и твердого состояний. С увеличением переохлаждения эта разность растет, вызывая увеличение скорости возникновения центров (числа центров – ч.ц.) и скорости роста кристаллов (с.к.).

При небольших значениях DТ (при малых величинах ч.ц. и больших с.к.) образуются крупнозернистые структуры. С увеличением переохлаждения структуры измельчаются (ч.ц. возрастает быстрее, чем с.к.)

От степени переохлаждения зависит критический размер зародыша, т.е. такой минимальный размер, при котором рост зародыша сопровождается снижением энергии Гиббса. Зародыши мельче критического к росту не способны и растворяются в жидкости.

При охлаждении жидкого металла атомы его в отдельных местах начинают группироваться образуя отдельные центры кристаллизации.

Вокруг отдельных центров кристаллизации начинают расти кристаллы.

В начале кристаллы растут свободно, т.к. со всех сторон их окружает жидкий металл. Затем они присоединяются друг к другу и начинают расти там, где еще есть жидкий металл.

Кристаллы присоединяются друг к другу и несмотря на их правильное строение получают неправильную внешнюю форму. Кристаллы неправильной формы называются зернами или кристаллитами.

От величины образования зерен, их формы и расположения зависят свойства металла.

Металлы и сплавы с мелкозернистым строением имеют более высокую прочность и лучшую сопротивляемость ударным нагрузкам.

Схема процесса кристаллизации

В реальных условиях форма и размер образующихся кристаллов, помимо условий столкновения, зависят от направления и скорости отвода теплоты, температуры жидкого металла, вида и количества примесей. Нередко при кристаллизации возникают разветвленные древовидные кристаллы, называемые дендритами.

Вопросы теста:

С.к.

Ч.к. с.к.

Ч.к.

 

_{| | |}

DТ₀ DТ₁ DТ₂ DТ₃

a) Любую. Характер структуры мало зависит от степени переохлаждения

b) Аморфную

c) Крупнокристаллическую

d) Мелкокристаллическую

 

Виды сплавов

Сплав – это вещество, полученное сплавлением двух и более компонентов, и состоящее из одной или нескольких фаз, образующих различные структуры.

Компонент – химически индивидуальное вещество, т.е. вещество которое может быть выделено из системы и существовать вне ее. Компонентами могут быть чистые металлы или неметаллы, а также химические соединения.

Фаза – совокупность гомогенных частей системы, одинаковых по составу, химическим и физическим свойствам, и отделенных от других частей системы поверхностью раздела, при переходе через которую структура и свойства изменяются скачкообразно.

Структура – строение сплава, видимое в микроскоп, т.е. взаимное расположение фаз, их форма и размер (зерна).

В сплаве могут образовываться следующие фазы: расплав (жидкий раствор), твердые растворы, механические смеси, химические соединения.

В твердых растворах компоненты растворяются друг в друге не только в жидком, но и в твердом состоянии. Микроструктура таких сплавов состоит из однородных зерен, имеющих кристаллическую решетку элемента растворителя. Обозначают твердые растворы греческими буквами α, b, g. Аббревиатура вида А(В) означает твердый раствор, состоящий из компонентов А и В, причем компонент В растворен в кристаллической решетке компонента А.

Механические свойства твердых растворов нелинейно зависят от соотношения компонентов. Они могут быть существенно выше (ниже) свойств любого из образующих сплав компонентов.

Твердые растворы могут быть растворами замещения и растворами внедрения. В растворах замещения атомы растворенного элемента замещают атомы элемента-растворителя в узлах его кристаллической решетки, в растворах внедрения – внедрены в межузельное пространство. Растворы замещения могут быть ограниченными и неограниченными (непрерывными).

 

 

а) твердый раствор замещения; б) твердый раствор внедрения

В кристаллической решетке неограниченных твердых растворов А(В) атомы растворенного элемента В могут полностью заменить атомы растворителя А. В данном случае невозможно установить какой из элементов является растворителем, а какой растворенным веществом. Поэтому аббревиатура неограниченных растворов А(В) и В(А) идентичны.

При образовании механических смесей компоненты химически не взаимодействуют и не растворяются друг в друге. Металлографический анализ структуры обнаружит зерна каждого из входящих в состав сплава компонентов. Механические свойства смесей линейно зависят от соотношения компонентов и являются промежуточными между свойствами чистых компонентов.

Сплав – химическое соединение образуется при определенном соотношении компонентов. Ему может быть приписана химическая формула А_mВ_n, где m и n – количество атомов компонентов А и В, образующих соединение. Химические соединения имеют следующие характерные особенности:

Ø Кристаллическая решетка, отличная от решеток элементов, образующих соединение;

Ø Атомы в решетке химического соединения расположены упорядоченно;

Ø Кратное весовое соотношение компонентов (А_mВ_n);

Ø Резкое отличие механических свойств соединения от свойств элементов, образующих соединение;

Ø Имеют постоянную температуру плавления;

Ø Образование химического соединения сопровождается значительным тепловым эффектом.

 

Вопросы теста:

Теория сплавов

Кристаллизация металлов

В жидком металле(МL) при высоких t₀ атомы находиться в беспорядочном движении. Правильное кристаллическое строение МL приобретают в процессе затвердения, т.е. при переходе из жидкого состояния в твердое.

Процесс образования кристаллов при переходе вещества из жидкого состояния в твердое называется ПЕРВИЧНОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИЕЙ.

Процесс изменения кристаллического строения вещества в твердом состоянии называется ВТОРИЧНОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИЕЙ.

Как всякий спонтанный процесс, кристаллизация протекает при термодинамических условиях, обеспечивающих снижение свободной энергии Гиббса системы F:

F = U – TS,

где U – внутренняя энергия, T – температура, S – энтропия.

С повышением температуры свободная энергия вещества, как в твердом, так и в жидком состоянии уменьшается

 

F_Ж

 

F_ТВ

 

T_S

Температура

 

Температура, при которой свободная энергия в твердом и жидком состояниях равна, называется равновесной или теоретической температурой кристаллизации.

Для начала процесса кристаллизации необходимо, чтобы процесс сопровождался уменьшением свободной энергии. Это возможно при охлаждении жидкости ниже температуры Т_S. Температура, при которой практически начинается кристаллизация называется фактической температурой кристаллизации.

Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации называется переохлаждением, которое характеризуется степенью переохлаждения ( DТ):

DТ = Т_S - T_КР

Степень переохлаждения зависит от природы металла, от степени его загрязнения (чем чище металл, тем больше степень переохлаждения), от скорости охлаждения (чем выше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждения).

Для изучения кристаллизации строят кривые охлаждения, которые показывают изменения t⁰ c течением времени по мере охлаждения расплавленного ML.

ТКР

ТКР

ТКР

V3

V2

Т, °С

t, время

Тs равновесная тем-ра кристаллизации

V1

До точки Т_КР охлаждается металл в жидком состоянии, процесс сопровождается плавным понижением температуры. На горизонтальном участке идет процесс кристаллизации, сопровождающийся выделением тепла, которое называется скрытой теплотой кристаллизации. Оно компенсируется рассеиванием теплоты в пространство, и поэтому температура остается постоянной. После окончания кристаллизации температура снова начинает снижаться, металл охлаждается в твердом состоянии.

Кристаллизация складывается из двух процессов – зарождения центров кристаллизации и роста кристаллов из этих центров. Скорость каждого из процессов зависит от степени переохлаждения. При DТ = 0 образование зародышей кристаллов невозможно, т.к. равна нулю разность энергий Гиббса жидкого и твердого состояний. С увеличением переохлаждения эта разность растет, вызывая увеличение скорости возникновения центров (числа центров – ч.ц.) и скорости роста кристаллов (с.к.).

При небольших значениях DТ (при малых величинах ч.ц. и больших с.к.) образуются крупнозернистые структуры. С увеличением переохлаждения структуры измельчаются (ч.ц. возрастает быстрее, чем с.к.)

От степени переохлаждения зависит критический размер зародыша, т.е. такой минимальный размер, при котором рост зародыша сопровождается снижением энергии Гиббса. Зародыши мельче критического к росту не способны и растворяются в жидкости.

При охлаждении жидкого металла атомы его в отдельных местах начинают группироваться образуя отдельные центры кристаллизации.

Вокруг отдельных центров кристаллизации начинают расти кристаллы.

В начале кристаллы растут свободно, т.к. со всех сторон их окружает жидкий металл. Затем они присоединяются друг к другу и начинают расти там, где еще есть жидкий металл.

Кристаллы присоединяются друг к другу и несмотря на их правильное строение получают неправильную внешнюю форму. Кристаллы неправильной формы называются зернами или кристаллитами.

От величины образования зерен, их формы и расположения зависят свойства металла.

Металлы и сплавы с мелкозернистым строением имеют более высокую прочность и лучшую сопротивляемость ударным нагрузкам.

Схема процесса кристаллизации

В реальных условиях форма и размер образующихся кристаллов, помимо условий столкновения, зависят от направления и скорости отвода теплоты, температуры жидкого металла, вида и количества примесей. Нередко при кристаллизации возникают разветвленные древовидные кристаллы, называемые дендритами.

Вопросы теста:

При какой (каких) температуре (температурах) возможен процесс кристаллизации?

F_Ж

 

F_ТВ

 

 

 

 

t₁ t₂ t₃

Температура

 

а) t₂ и t₃ b) t₁ и t₂ c) t₁ d) t₃