Несамопроизвольная (гетерогенная) кристаллизация металлов.

Эта кристаллизация характерна для сплавов и металлов техн. чистоты в которых всегда присутствуют инородные частицы, загрязнения. Эти частицы выполняют роль центров кристаллизации. На них начинают образовываться новые кристаллы путем диффузии на поверхности атомов из жидкости. Рост этих зародышей идет также как и при спонтанной кристаллизации. Закономерности гетерогенной кристаллизации часто исп. в технологических процессах модифицирования целью которого является получение мелкозернистых высокопрочных сплавов из жидкого состояния. Для этого в расплав добавляют тугоплавкие порошкообразные вещ-ва – модификаторы удовлетворяющие следующим требованиям. 1)Их t плавления должна быть значительно выше t расплава 2)Кристаллические решетки модификаторов и кристалл. сплавов должны быть изоморфны. 3)Эти частицы должны быть хорошо смачиваться жидким расплавом.

В результате процессов модифицирования на этих частицах образуются большое кол-во зерен в ед. V и следовательно мелкозернистая, высокопрочная структура сплава.

Полиморфизм металлов.

Многие металлы в зависимости от температуры могут существовать в разных кристаллических формах, или в разных модификациях. В результате полиморфного превращения атомы кристаллического тела, имеющие решетку одного типа, перестраиваются таким образом, что образуется кристаллическая решетка другого типа. Полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре, для большинства металлов принято обозначать буквой α, а при более высокой β, а затем γ и т.д.

Переход чистого металла из одной полиморфной модификации в другую в условиях равновесия протекает при постоянной температуре (при критической точке) и сопровождается выделением тепла, если превращение идет при охлаждении, и поглощением тепла – в случае нагрева. Как и при кристаллизации из жидкой фаз, для того чтобы полиморфное превращение протекало, нужно некоторое переохлаждение (или перенагрев) относительно равновесной температуры. Полиморфное превращение по своему механизму кристаллизационный процесс и осущ. путем образования зародышей и последующего их роста.

Сплавы и их фазовые сплавы. Общие положения.

Сплавами называются сложные вещ-ва образуемые из простых вещ-в - компонентов путем взаимодиффузии или смешивания в любом агрегатном состоянии. сплавы могут быть 2-х компонентными и много компонентными. Компоненты сплава вступают во взаимодействие и могут образовывать различные по строению и свойствам различные вещ-ва которые называются фазами. Фаза – это часть сплава имеющая:- одинаковое строение; - одинаковый состав; -одно и тоже агрегатное состояние;- границу раздела с другими частями сплава

Сплавы могут быть однофазные и многофазные. В металлических сплавах встречаются следующие фазы:

1)жидкое (жидкий р-р)

2)твердые фазы

Твердые растворы и их виды.

Твердый раствор- многокомпонентная фаза образующаяся при условии, что один компонент растворитель сохраняет свою кристаллическую решетку, а другие компоненты теряют свою решетку и располагаются внутри кристаллической решетки растворителя. Основные признаки тв. растворов: 1.кристаллическая решетка и осн. св-ва тв. раствора передаются от компонента в растворитель 2. Тв. растворы всегда имеют первичный состав 3.Тв. растворы кристаллизируются (плавятся) в интервале t-p.

В зависимости от того, как атомы растворенного компонента располагаются внутри кристаллической решетки растворителя, различают тв. растворы замещения и тв. растворы внедрения. В тв. растворах замещения атомы растворенных компонентов замещают часть атомов растворителя в узлах кристаллической решетки. Эти растворы образуются когда атомные радиусы компонентов близки. Тв. растворы замещения могут быть с ограниченной и неограниченной растворимостью. Неограниченная растворимость компонентов возникает при следующих условиях:

1)Атомные радиусы отличаются не >15%

2)В-ва – компоненты имеют одинаковые кристаллические решетки (изоморфны)

3)Компоненты принадлежат одной или соседним группам периодической системы. А(В)-развернутое обозначение тв. р-ра А(В)а – тв. р-р компонента В в компоненте А-растворитель; В -растворимое вещ-во. А(В)àА кристаллическая решетка тв. раствора такая же как у компонента А. А(В)àВ(А) непрерывный ряд тв. растворов

Твердые растворы внедрения возникают когда атомные радиусы компонентов очень сильно отличаются друг от друга. В этом случае растворимое вещ-во обладающее малым R располагается в межузельном пространстве (парах) внутри крст. решетки. Поскольку этих пар относительно немного, то твердые растворы внедрения всегда имеют ограниченную растворимость компонентов. В качестве растворимых вещ-в в этих растворах выступают вещ-ва с очень маленькими атомными радиусами: H, N, C, B.

Диаграмма фазового равновесия и ее построение.

Св-ва сплавов опр. их фазовым составом, который в свою очередь в широких пределах изменяется под воздействием различных внешних факторов и прежде всего t. Фазовый состав определяется числом и видом фаз, их хим. составом и количественным соотношением. Одним из путей изучения сложных физико-хим. процессов формирование фазового состава сплавов явл. диаграмма фазового равновесия (состояния) сплава иллюстрирующая изменение фазового состава сплава в зависимости от t и концентрации компонентов в условиях равновесия. Равновесное состояние сплава характеризуется min уровнем свободной энергии, когда все превращения в сплаве закончились фазовый состав сформировался и может сохраняться таким при неизменных условиях, сколь угодно долгое время. Диаграммы состояния строятся экспериментально. Одним из наиболее простых методов построения диаграммы явл. метод термокинетических кривых охлаждения. Он состоит в том, что берется ряд образцов чистых компонентов, а также сплава с различным содержанием компонентов. Каждый образец нагревается до жидкого состояния, а затем самопроизвольно охлаждается до комнатной t. В процессе этого охлаждения записывается зависимость t от времени (термокинетическая кривая охлаждения). Затем путем графической обработки таких кривых строится диаграмма состояния.

Правило фаз.

Для проверки правильности полученных термокинетических кривых охлаждения, для решения обратной задачи построения этих кривых по уже известной диаграмме состояния а также для анализа фазовых состояний по диаграмме состояния используется правило фаз (Гиббса) которое устанавливает взаимосвязь между числом компонентов системы (сплава) число внешних переменных факторов, числом фаз находящихся в равновесии при данных условиях и числом степеней свободы системы.

с-степень свободы, т.е. число возможностей изменения внешних факторов

к- число компонентов системы (к=1 чистое вещ-во К>1 сплав)

в- число внешних переменных факторов (В=1 температура)

ф- число фаз находящихся в равновесии

С=К+В-Ф

с=0 – ни один внешний фактор не имеет право меняться. Система нонвариантная

с=1- без нарушения равновесия может меняться 1 фактор. Моновариантная

с=2,3,4… могут меняться 2,3,4 и т.д. факторов, при этом равновесие не будет меняться.

Учитывая то, что в большинстве случаев переменным фактором явл. только t, то правило фаз может быть упращено:

С=К+1-ф

Правило концентраций

Это правило позволяет определить концентрацию компонента Б в каждой фазе в двухфазных областях диаграммы. Для этого через данную точку проводится горизонтальная прямая (конода) до пересечения с границами двухфазной области. Проекция точки пересечения коноды с линией ликвидус на ось концентрации дает концентрацию компонента Б в жидкости, а проекция точки пересечения с линией солидус- в твердом растворе.

Правило отрезков.

Это правило позволяет определить количественное соотношение фаз (в %) в двухфазных областях. Для этого также проводится конода abc и далее количество каждой фазы рассчитывается по следующим пропорциям ж=(ав/вс)*100%

α=(вс/ас)*100%

Правило фаз, а также правило концентраций и правило отрезков позволяет однозначно расшифровать фазовый состав сплавов на любом сколь угодно сложных диаграммах состояния.