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

32702. Системы учета затрат в управленческом учете на примере ОАО РГИЛК «Агролизинг» 334.5 KB
  Рассмотреть и изучить основные системы учета затрат, основные преимущества и недостатки данных систем, исследовать классификацию затрат для определения себестоимости, оценки стоимости запасов и полученной прибыли, рассмотреть перспективы развития системы учета затрат
32703. Виявлення інноваційних технологій при виробництві солодких соусів на підприємствах України 470.5 KB
  Тема інноваційні технології солодких соусів сьогодні є актуальною. Серед продукції ресторанного господарства окремий сегмент складають соуси, які сприяють кращому засвоєнню харчових нутрієнтів організмом людини, розширюють асортимент і підвищують харчову цінність страв.
32704. ВЯЖУЩИЕ СРЕДСТВА 65.5 KB
  ВЯЖУЩИЕ СРЕДСТВА Данные вещества вызывают обратимое осаждение коагуляцию белков с образованием плотных альбуминатов. Вяжущие средства ВС наносят на слизистые оболочки или раневую поверхность. Вяжущие средства Органические Неорганические растит.
32705. СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ ЭФФЕРЕНТНОЙ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ 145 KB
  Открываются N каналы и N устремляется внутрь клетки по градиенту концентрации деполяризация мембраны; возникает потенциал действия; К выходит. Прямого типа действия Непосредственно взаимодействуют с постсинаптическими рецепторами вызывая их стимуляцию М1Н ХМ АцетилхолиноСl Карбахолин МХМ Пилокарпина г хлорид Ацеклидин НХМ Цитизин Цититон Лобелин 2. Непрямого типа действия антихолинэстеразные средства 2.1 МНХМ обратимого действия Физостигмин Неостигмин прозерин Пиридостигмин калимин Дистигмин убретид Амбеноний...
32706. Теория перевода японского языка 318 KB
  Проанализировать семантический и прагматический потенциал пословиц и поговорок, выявить и описать особенности функционирования пословиц и поговорок в японской периодической печати. Изучение пословиц и поговорок в прагматическом аспекте предполагает рассмотрение не только сугубо функциональных особенностей данных выражений
32707. Адреномиметики 127 KB
  действие на 12 и 12 АР  эффекты СНС сердце:  ЧСС  СВ проводимостьО2. сосуды: суммарно АД  действие двухфазное т. Оказывает более сильное сосудосуживающее действие. Оказывает очень слабое действие на сердце бронхи кишечник обмен веществ.
32708. Антиадренергические средства 85.5 KB
  ПК: 1 гипертонический криз 2 феохромоцитома диагностика лечение характеризуется периодическими гипертоническими кризами 3 нарушение периферического кровообращения эндартерит болезнь Рейно начальные стадии атеросклеротической гангрены 4 острая сердечная недостаточность с застоем в легких 5 лечение вялозаживающих ран трофических язв пролежней отморожений ПбД: головокружение слабость набухание слизистой оболочки носа покраснение и зуд кожи; тошнота понос тахикардия. ПК: различные нарушения мозгового кровообращения ...
32709. Общие анестетики 105 KB
  По мере нарастания концентрации НС в крови последовательно наступают следующие стадии периоды наркоза. III стадия хирургического наркоза разлитое торможение захватывающее кору и нижележащие отделы ЦНС в частности спинной мозг но центры продолговатого мозга дыхательный и сосудодвигательный функционируют. В зависимости от выраженности наркоза выделяют уровни: поверхностный наркоз зрачки нормальные или умеренно сужены фиксированы в центре дыхание глубокое регулярное грудиннобрюшное; скелетная мускулатура расслаблена...
32710. Снотворные средства 71 KB
  Во время сна функционирование гипногенных зон головного мозга структуры таламуса неспецифические медиальные ядра неспецифические ядра гипоталамуса нисходящая РФ повышено а активирующее влияние восходящей части РФ зона бодрствования понижено. Чередование сна и бодрствования связано с изменением в ЦНС концентрации различных медиаторов ряда гормонов других БАВ пептидсна аминокислоты. Лишение ЦНС сна ведет к губительным последствиям без сна человек может обойтись 10 дней. ГАМК 5НТ пептида дельта сна; миорелаксацией снижением...