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

82869. ОСОБЕННОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЖУРНАЛИСТА И СПЕЦИАЛИСТА ПО СВЯЗЯМ С ОБЩЕСТВЕННОСТЬЮ С ЦЕЛЬЮ ПРОДВИЖЕНИЯ КОСМЕТОЛОГИЧЕСКОЙ КОМПАНИИ 278.5 KB
  В данной работе мы рассматриваем взаимосвязь PR-специалистов и субъектов публичной коммуникации как взаимосвязанный и взаимообусловленный процесс распространения информации среди целевой общественности процесс селекции информации с учетом информационных запросов целевой общественности а так же на примере косметологической компании...
82870. Учет товаров в розничной торговле (на примере ООО «НиК») 646.5 KB
  Первая глава посвящена теоретическим аспектам учета движения товаров на предприятиях розничной торговли. Во второй главе рассмотрен анализ системы бухгалтерского учета движения товаров в розничном предприятии ООО НИК В третьей главе представлены рекомендации по совершенствованию учета товародвижения в ООО НиК.
82871. Разработка направлений эффективного управления дебиторской и кредиторской задолженностью на примере ООО «Юропеан Трэвел Групп» 633.5 KB
  Актуальность темы исследования обосновывается необходимостью и важностью данного явления в функционировании предприятия. Экономическая значимость данной темы признается обоснованной для развития хозяйствующего субъекта в силу значительного влияния состояния дебиторской задолженности на финансовое состояние предприятия.
82872. Организация работы производства ресторана с французской кухней на 75 мест 523.5 KB
  Определение количества блюд и напитков подлежащих изготовлению.Разбивка блюд по ассортименту в соответствии с коэффициентами потребления. К региональной кухне относятся блюда которые на протяжении веков готовили жители различных исторических областей страны. Её неповторимые блюда отличались разнообразием и изысканностью.
82873. Разработка всасывающей пневмотранспортной установки производительностью 6 т/ч 375 KB
  Здесь происходит отделение основной массы сыпучего материала от транспортирующего воздуха. Все элементы расположены по направлению движения воздуха после отделителей соединены между собой воздуховодами. Питатель всасывающей установки выполняет функцию загрузочного устройства для подачи материала в движущуюся струю воздуха...
82874. Качество жизни населения и исследование ее уровня 181.5 KB
  Актуальность темы курсового проекта заключается в том, что уровень и качество жизни населения являются одними из важнейших социально-экономических категорий, характеризующие благосостояние населения в Республике Башкортостан и определяют положение региона в целом.
82875. Оценка приспособленности грузовой платформы автомобиля КАМАЗ-4308-А3 (4х2) с прицепом НЕФАЗ-8560-62-02 к перевозке грузов и исследование расчетным методом тягово-скоростных свойств 276.56 KB
  Величину полезной работы можно оценить объемом перевозок т или производительностью ткм поэтому одним из важнейших условий определяющих эффективность эксплуатации АТС является степень приспособленности кузова АТС к превозке наиболее вероятных грузов.
82876. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ И ЗНАЧЕНИЕ ИНВЕСТИЦИЙ В ЛОГИСТИКЕ 89.13 KB
  Цель данной работы: раскрыть сущность сбережений и инвестиций в рыночной экономике и на основании теоретических данных рассмотреть проблемы превращения сбережений в инвестиции в России. Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи: проанализировать понятие виды и функции инвестиций...
82877. Теоретические и практические аспекты усовершенствования механизма планирования фонда оплаты труда на предприятии ОАО «Русь» 119.89 KB
  Для осуществления этих целей необходимо выполнить следующие задачи. Во-первых, определить сущность категории заработной платы. Во-вторых, рассмотреть существующие формы и системы оплаты труда, порядок начисления некоторых видов заработной платы и то, как эти формы и системы применяются на обследуемом предприятии.