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

2 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

39931. Загальна характеристика масовоінформаційної діяльності 144.5 KB
  Професіональної а не професійної тобто комунікації яка відбувається не у певній професійній сфері а на високому рівні майстерно як належить професіоналові знавцю правил спілкування й мовлення. Отже передбачається що ви після вивчення цієї дисципліни та багатьох інших протягом 45 років маєте стати висококваліфікованими фахівцями з питань масової комунікації. Як бачимо ідея єдності об єднання зв язку зі спільнотою є визначальною для поняття комунікації або спілкування.
39932. ПРАВОВІ ЗАСАДИ ДІЯЛЬНОСТІ УКРАЇНСЬКИХ МАС-МЕДІА 142.5 KB
  Нормою стали дотації і спонсорські вкладення у ЗМІ за так зване інформаційне забезпечення ангажованість видань і телерадіопрограм порушення етичних норм серед журналістів. Основна частина населення країни близька до того що незабаром буде позбавлена доступу до друкованого слова а отже і до інформації про соціальноекономічне політичне і духовне життя України про події за рубежем. Крім того у декларації зазначається що âзгідно зі ст. 19 Загальної декларації прав людини започаткування підтримка та зміцнення незалежної...
39933. ПСИХОЛОГІЧНІ ОСОБЛИВОСТІ ДІЯЛЬНОСТІ ЗАСОБІВ МАСОВОЇ ІНФОРМАЦІЇ 55.5 KB
  Суспільство здебільшого набирає рис постіндустріального інформаційного а оскільки історія людства крім всього іншого є історією боротьби за владу панування то в контексті нинішньої ситуації влада опиняється в руках тих хто має доступ до інформації ідентифікації внутрішнього світу людини й змістових картин. Під засобами масової інформації далі ЗМІ розуміють газети журнали теле і радіопрограми кінодокументалістику інформаційні агенції інші періодичні форми публічного розповсюдження масової інформації. Зрозуміло що діяльність ЗМІ...
39934. Історія розвитку комунікаційних технологій та їх вплив на Інтернет 49.5 KB
  Наголос робиться не техногогії як такій що не раз радикально змінювалась а розглядається неспадаючий ріст кількості комунікацій еволюція типу інформації що пересилається відношення людей до кумунікаційних технологій та еволюція ціноутворення. В той же час спрощується схема ціноутворення. Схеми ціноутворення що спрямовані на предоставлення диференційованих рівнів послуг навряд чи матимуть місце в майбутньому. Уподобання користувачів полягають в готовності платити більше за простими схемами ціноутворення.
39935. Рода связи, виды связи. Условные знаки 60.71 KB
  2: радиосвязь радиорелейная связь тропосферная связь спутниковая связь проводная связь волоконнооптическая связь сигнальная связь. Радиосвязь это род связи который реализуется с использованием радиосредств земных и ионосферных радиоволн. Радиосвязь является важнейшей а во многих случаях единственной связью способной обеспечивать управления частями и подразделениями в самой сложной обстановке и при нахождении командиров в движении. Радиорелейная связь это род связи который реализуется с использованием радиорелейных средств связи...
39936. Радиосвязь и ее место в системе управления войсками 61.93 KB
  Однако при организации и обеспечении радиосвязи необходимо учитывать: Возможность перехвата переговоров и передач; Возможность определения противником мест нахождения работающих радиостанций и создания им преднамеренных помех; Зависимость состояния связи от условий прохождения радиоволн и возможных помех в пункте приема; Условия ЭМС РЭС; Сильное влияние на связь высотных ядерных взрывов; Уменьшение деятельности действий радиостанций при работе в движении. Средства используемые для обеспечения радиосвязи в ВС РФ подразделяются на подвижные и...
39937. Общая характеристика и боевое применение проводной связи 40.18 KB
  При организации проводной связи необходимо учитывать: возможность обеспечения связи только между неподвижными пунктами; большую уязвимость кабельных линий от ядерных взрывов ударов авиации огня артиллерии противника от танков бронетранспортеров и автомашин; сложность прокладки и снятия на зараженной и труднопроходимой местности громоздкость материальной части и сравнительно малую скорость работ по прокладке и снятию линий связи; потребность в большом количестве сил и средств для перевозки прокладки эксплуатационного...
39938. Общая характеристика, способы организации ФПС 44.27 KB
  Подвижные средства применяются для обеспечения фельдъегерскопочтовой связи с вышестоящим штабом между пунктами управления подчиненных частей подразделений во всех видах боевых действий при передвижении и расположении войск на месте. При организации фельдъегерскопочтовой связи следует учитывать: характер местности; состояние и загруженность маршрутов скорость и проходимость подвижных средств; местонахождения пунктов управления и посадочных площадок; необходимость охраны фельдъегерей доставляющих секретные документы и воинских...
39939. Общая характеристика и боевое применение радиорелейной связи 52.82 KB
  В тоже время при организации радиорелейной связи необходимо учитывать зависимость ее от рельефа местности что вызывает необходимость тщательного выбора трассы линии связи невозможность работы или значительное уменьшение дальности действия радиорелейных станций в движении возможность перехвата передач и создания радиопомех противником. Способы организации радиорелейной связи Радиорелейная связь может быть организована по направлению по сети и по оси. Применение того или иного способа в каждом отдельном случае зависит от конкретных условий...