65869

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

Лекция

Физика

Энергетические условия процесса кристаллизации При переходе из жидкого состояния в твердое образуется кристаллическая решетка возникают кристаллы. Эта температура ts и есть равновесная или теоретическая температура кристаллизации.

Русский

2014-08-09

47 KB

1 чел.

Тема № 2

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

В чистых металлах при определенных температурах происходит изменение агрегатного состояния: твердое состояние сменяется жидким при температуре плавления, жидкое состояние переходит в газообразное при температуре кипения. Температуры перехода зависят от давления, но при постоянном давлении они вполне определены.

Энергетические условия процесса кристаллизации

При переходе из жидкого состояния в твердое образуется кристаллическая решетка, возникают кристаллы. Такой процесс называют кристаллизацией.

В природе все самопроизвольно протекающие превращения, а следовательно, кристаллизация и плавление обусловлены тем, что новое состояние в новых условиях является энергетически более устойчивым, обладает меньшим запасом энергии.

Энергетическое состояние системы, имеющей огромное число охваченных тепловым движением частиц (атомов, молекул), характеризуется особой термодинамической функцией F, называемой свободной энергией (свободная энергия F = U - TS, где U - внутренняя энергия системы; Т - абсолютная температура; S - энтропия).

При температуре, равной ts, свободные энергии жидкого и твердого состояний равны, металл в обоих состояниях находится в равновесии. Эта температура ts и есть равновесная или теоретическая температура кристаллизации.

Для начала кристаллизации необходимо, чтобы процесс был термодинамически выгоден системе и сопровождался уменьшением свободной энергии системы.

Температура, при которой практически начинается кристаллизация, называется фактической температурой кристаллизации.

Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации называется переохлаждением. Разность Δt между температурой ts и температурой tk, при которой протекает кристаллизация, называется степенью переохлаждения: Δ t = ts - tk.

При медленном охлаждении степень переохлаждения невелика, и кристаллизация протекает при температуре, близкой к равновесной. На кривых охлаждения при температурах кристаллизации отмечаются горизонтальные площадки (остановка в падении температуры), образование которых объясняется выделением скрытой теплоты кристаллизации.

С увеличением скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает.

Процесс кристаллизации начинается с образования кристаллических зародышей (центров кристаллизации) и продолжается при их росте. Пока образовавшиеся кристаллы растут свободно, они могут иметь геометрически относительно правильную форму. При столкновении же растущих кристаллов их правильная форма нарушается. В результате растущие кристаллы, имеющие сначала геометрически правильную форму, после затвердевания получают неправильную внешнюю форму, их называют кристаллитами или зернами.

В процессе кристаллизации возникают зародыши разного размера, однако не все они способны к росту.

Минимальный размер зародыша Rk, способного к росту при данных температурных условиях, называется критическим размеров зародыша.

C увеличением степени переохлаждения размер критического зародыша уменьшается,  следовательно, число зародышей, способных к росту,  возрастает.

Скорость процесса кристаллизации и строение металла после затвердевания зависят от числа зародышей, возникающих в единицу времени в единице объема и от скорости роста зародышей.

Чем больше центров кристаллизации (зародышей)и меньше скорость их роста, тем мельче кристалл, выросший из одного зародыша (зерно металла). Величина зерна может меняться в пределах от 0,4 до 0,001 мм. При небольшой степени переохлаждения число зародышей мало и скорость роста велика. В этих условиях будет получено крупное зерно. С увеличением степени переохлаждения число зародышей возрастет в большей мере, чем скорость их роста и размер зерна в затвердевшем металле уменьшается. Чем больше размер зерна, тем ниже пластичность и прочность металла.

Для получения мелкого зерна часто используют процесс модифицирования. При модифицировании в расплавленный металл вводят небольшое количество специальных веществ (модификаторов), которые, практически не изменяя его химического состава, вызывают при кристаллизации измельчение зерна и тем способствуют улучшению механических свойств.

Строение металлического слитка

Чаще всего в процессе кристаллизации образуются разветвленные или древовидные кристаллы, получившие название дендритов (рис. 5). При образовании кристаллов первоначально образуются длинные ветви - так называемые оси первого порядка (главные оси). Одновременно с удлинением осей первого порядка на их ребрах происходит зарождение и рост перпендикулярных к ним таких же ветвей второго порядка. В свою очередь на осях второго порядка зарождаются и растут оси третьего порядка. Правильная форма дендритов искажается в результате столкновения и срастания частиц на поздних стадиях кристаллизации.

Рис. 5. Древовидные кристаллы

Полиморфные превращения

Значительное число металлов в зависимости от температуры может существовать в разных кристаллических формах или в разных полиморфных модификациях. В результате полиморфного превращения атомы кристаллического тела, имеющие решетку одного типа, перестаиваются таким образам, что получается кристаллическая решетка, другого типа. Полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре, для большинства. металлов принять обозначать буквой α, при более высокой β , а затем γ и т.д.

Известны полиморфные превращения Fe α - Feγ и др.

Полиморфное превращение осуществляется образованием зародышей и последующим их ростом в результате перехода атомов из старой модификации в новую. Зародыши часто возникают на границах исходных зерен. В результате превращения получаются новые кристаллические зерна, имеющие другой размер и форму.

Переход металла из одной аллотропической, модификации в другую в условиях равновесия (малой степени переохлаждения) протекает при постоянной температуре и сопровождается выделением тепла, если превращение протекает при охлаждении, и поглощением тепла в случае нагрева. Поэтому на кривых охлаждения (рис. 6) при температуре полиморфного превращения (несколько ниже tn ) отмечается площадка. В реальных условиях полиморфные превращения протекают лишь при значительном переохлаждении (перегреве) относительно равновесной температуры полиморфного превращения tn.

Изменение компактности кристаллической решетки при переходе из одной полиморфной формы в другую влечет за собой изменение объема вещества и его свойств.


Рис.6.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

27003. Содержание правоотношения. Субъективное право и юридическая обязанность 6.28 KB
  ПРАВООТНОШЕНИЕохраняемые государством и урегулированные нормами права общественные отношениявозникающие вследствие воздействия норм права на поведение людей и характеризующиеся наличием субъективных прав и юридических обязанностей для их участников. СОДЕРЖАНИЕ правоотношения составляют субъективные права и юридические обязанности. ЮРИДИЧЕСКОЕ СОДЕРЖАНИЕ–это возможность определенных действийуправомоченным лицомдолжностнымнеобходимость выполнения тех или иных действий обязанным лицома также необходимость соблюдения запретовустановленных...
27004. Объекты правоотношений их виды 5.99 KB
  их виды ПРАВООТНОШЕНИЕохраняемые государством и урегулированные нормами права общественные отношениявозникающие вследствие воздействия норм права на поведение людей и характеризующиеся наличием субъективных прав и юридических обязанностей для их участников. ПРИЗНАКИ: 1 Это разновидность социальных отношений в обществе 2 возникаютпрекращаются или изменяютсякак правилона основе норм права в случае наступления предусмотренных нормой фактов. 3 Сторонами правоотношения могут быть лицаобладающие качествами субъекта права правосубъектностью...
27005. Понятие и признаки правонарушений 3.82 KB
  Правонарушениевиновное поведение праводееспособного индивидакоторе противоречит предписаниям норм правапричиняет вред другим лицам и влечет за собой юридическую ответственность. строго определенные признакипозволяющие отличить правонарушение от нарушений других нормобщественного приличия: 1 такое поведение человекакоторое выражается в ДЕЙСТВИИ или БЕЗДЕЙСТВИИдолжен был совершить определенные действияпредусмотренные нормой правано не совершил их. 2 такое поведение человекакоторое противоречит предписаниям ПРАВАПРОТИВОПРАВНОЕ...
27006. Построение концептуальной модели данных 111.5 KB
  Построение концептуальной модели данных. Цель работы: приобретение практических навыков анализа предметной области информационных задач и построения концептуальной модели базы данных. Общие положения Проектирование базы данных БД – одна из наиболее сложных и ответственных задач связанных с созданием информационной системы ИС. В результате её решения должны быть определены содержание БД эффективный для всех её будущих пользователей способ организации данных и инструментальные средства управления данными.
27007. Логическое проектирование базы данных 41 KB
  Логическое проектирование базы данных. Цель работы: приобретение практических навыков создания логической модели базы данных. Решение этой задачи существенно зависит от модели данных поддерживаемой выбранной СУБД. Будем рассматривать логическое проектирование БД для реляционной модели данных так как современные СУБД – реляционные.
27008. Физическое проектирование базы данных 28 KB
  Физическое проектирование базы данных. Цель работы: приобретение практических навыков создания физической модели базы данных. Создание физической модели базы данных: внутренняя схема это этап на котором на основании логической модели базы данных создается физическая структура базы данных зависимая от ее реализации. На этом этапе выполняется преобразование отношений логической модели реляционной базы данных в команды создания объектов физической базы данных в результате чего создается так называемая внутренняя схема базы данных.
27009. Создание базы данных в СУБД SQL Server 61.5 KB
  Servic Manager. Для каждой логической базы даниых SQL Server создает две файла: один для объектов, а другой для журнала транзакций (операций). Создание новой базы данных. Новую базу данных можно создать с помощью команды New Database из контекстного меню папки Databases. Также можно воспользоваться мастером Create Database Wizard (Tools\Wizards\Database\).
27010. Реляционные языки 95.5 KB
  Например составьте список все студентов со средним баллом превышающим 4 σSRBAL 4STUDENT Проекция – операция над одним отношением. Например создать список среднего балла студентов с указанием атрибутов FIO NGR SRBAL – ПFIONGRSRBALSTUDENT.Получить список номеров читателей которые в срок не сдали книги 6.Получить список книг которые ни разу не брали читатели 8.
27011. Построение запросов с использованием обобщающих функций 86 KB
  Таблица 3: onum – номер заявки amt – сумма заявкиodate – дата cnum – номер покупателя snun – номер продавца Чтобы найти сумму на которую сделаны заявки: SELECT SUMamt FROM Orders; Подсчитать число продавцов имеющих заказы: SELECT COUNTDISTINCT snum FROM Orders; Результат: 5. Подсчитать количество читателей имеющих отчество Иванович Подсчитать количество книг которое числится за каждым читателем Отыскать читателя который взял максимальное число книг. Подсчитать общее число экземпляров книг издательства Мир Подсчитать...