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

73412. Мир и события в лирике. «Лирический сюжет» 28 KB
  Хотя есть лирические стихотворения полностью лишенные внешних событий. Там описаны события внутреннего мира размышления; поэтому нет повода для внешних событий. Лирический сюжет Это не цепь жизненных событий это развитие мысли переживания которое дается в стихотворении.
73413. Лирический субъект 43.5 KB
  Начиная с эпохи романтизма когда лирика получила почетное место в системе родов сформировалась идея о том что лирический субъект если не равен автору то чрезвычайно к нему близок. Лирический субъект ≠ автору.
73414. Жанр и жанровые системы в литературе традиционного типа 38 KB
  Прозаические жанры находились на периферии человеческого сознания. Жанровые каноны Все жанры средневековой и древней литературы а также эпохи Возрождения образовывали жанровую систему которая членилась на подсистему: Самым главным признаком была иерархия жанров.
73415. Пространство и время в литературе 47 KB
  Пространство и время в литературе. Реальное время -– это время за которое читается книга. Изображаемое время – время в произведении. Были попытки сблизить время изображаемое и реальное.
73417. Повествование и его композиция (композиционно-речевые формы) 31 KB
  Организация повествования возникла давно на Западе. Она включает в себя: структуру повествовательного текста фигуру которая является источником повествования Повествование – весь текст повествовательного произведения; весь текст за вычетом прямых речей.
73418. Образ повествователя и его историческая трансформация 41.5 KB
  Образ автора -– автор создает повествователя который похож на автора. Повествователь Находится за пределами изображаемого мира Близок к автору По речевому строю По восприятию Близок к образу автора Главный признак повествователя: Вне изображаемого мира в отличие от рассказчика...
73419. Образ рассказчика 35.5 KB
  Образ автора – автор создает повествователя, который похож на автора. Рассказ, который ведется от 3-его лица, называется безличным. Повествователь находится вне изображаемого мира, а рассказчик – внутри него. Автор ближе к повествователю, а рассказчик – к герою.
73420. Художественная речь. Поэтический язык 38.5 KB
  На такие вопросы как чем вызывается эстетический эффект чем обусловлена художественность речи пытаются ответить теоретики начиная с античности. Русская литературная теория занимается вопросом художественной речи чем обусловлена эта художественность.