Практикум / Э. Г. Бабенко [и др.]. Хабаровск : Изд-во двгупс


 ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ПЕРВИЧНОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ



Pdf көрінісі
бет17/116
Дата31.12.2021
өлшемі4,3 Mb.
#21722
1   ...   13   14   15   16   17   18   19   20   ...   116
Байланысты:
МиТКМ практикум 25 работ

5. ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ПЕРВИЧНОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ 
 
Цель работы: изучить процесс формирования кристаллов при переходе 
вещества из жидкого состояния в твёрдое. 
Приборы  и  оборудование:  водный раствор хлористого аммония, мик-
роскоп типа МБС-9, предметное стекло, фрагменты слитка сурьмы с про-
дольным и поперечным изломами. 
 
5.1. Краткие теоретические сведения  
 
Кристаллизацией  называется  переход  металла  при  определенной  тем-
пературе из жидкого состояния в твёрдое. Рассмотрим энергетические ус-
ловия этого процесса.  
Энергетическое  состояние  любой  системы  характеризуется  опреде-
ленным запасом внутренней энергии. Та часть энергии, которая в изотер-
мических условиях может быть превращена в работу, называется свобод-
ной: Е = U – T S, где U – полная внутренняя энергия системы; Т – темпе-
ратура;  S  –  энтропия.  Чем  меньше  свободная  энергия  системы,  тем  она 
более устойчива. 
Согласно второму закону термодинамики, всякая система стремится к 
более устойчивому состоянию, т. е. к минимальному значению свободной 
энергии.  Любой  самопроизвольно  текущий  процесс  идет  только  в  том 
случае, если новое состояние более устойчиво. Переход вещества в жидкое 
состояние  и  наоборот  также  подчиняется  этому  закону:  если  меньшей 
свободной энергией обладает твёрдое тело, то идет процесс кристаллиза-
ции  и,  наоборот,  при  меньшей  свободной  энергии  жидкого  состояния  – 
плавление.  
Зависимость изменения свободной энергии металла в жидком и твёрдом 
состояниях от температуры приведена на рис. 5.1. С увеличением темпе-
ратуры  величина  свободной  энергии  как  жидкой,  так  и  твёрдой  фаз 
уменьшается, но законы изменения различны. 
При  температуре 
Т
s
 
свободная  энергия  твёрдой  и  жидкой  фаз  равны, 
что даёт возможность их одновременного существования. Такая темпера-
тура называется равновесной. Чтобы начался процесс кристаллизации не-
обходима разность свободных энергий ΔЕ
1
 твёрдой и жидкой фаз. В соот-
ветствии с этим температура Т
кр
 соответствует температуре кристаллиза-


33
 
ции. Разность по абсолютной величине между равновесной и температурой 
кристаллизации  называется  степенью  переохлаждения:  Т
1
  =  |  Т
s
 
– Т
кр
  |. 
Чем больше степень переохлаждения  Т, тем больше разность свободных 
энергий ΔЕ
1
 
, тем интенсивней будет идти процесс кристаллизации. 
 
Т
пл
T
s
T
,  
С
Е
С
во
бо
дн
ая
 э
не
рг
ия
 
 
жидкое состояние
твердое состояние
Т
кр
Т
1
Т
2
E
1
E
2
 
о
 
 
 
Рис. 5.1. Схема изменения свободной энергии жидкой  
и твердой фаз металла в зависимости от температуры 
 
Для  развития  процесса  плавления  необходима  разность  свободных 
энергий  ΔЕ
2
,  которая  возникает  при  некоторой  степени  перегрева:  
Т
2
 = | Т
s
 
– Т
пл
 |, где Т
пл
 
– температура плавления. 
Впервые  глубокие  исследования  процесса  кристаллизации  были  про-
ведены русским инженером-металлургом Д.К. Черновым. Он показал, что 
процесс кристаллизации складывается из двух этапов: образования центров 
и  роста  кристаллов  из  этих  центров.  Скорость  процесса  кристаллизации 
количественно  характеризуется  скоростью  зарождения  центров  и  ско-
ростью роста кристаллов. Число зарождающихся в единицу времени цен-
тров (Ч.Ц.) имеет размерность 1/мм
3
 (число центров, возникающих в 1 мм
3
 
объёма металла за секунду). Скорость роста кристаллов (С.Р.) – это уве-
личение  линейных  размеров  кристалла  в  единицу  времени  (м/ч).  Зависи-
мость числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов от сте-
пени переохлаждения приведены на рис. 5.2.  


 
34 
 При  равновесной  температуре  ( Т  =  0)  значения  С.Р.  и  Ч.Ц.  равны 
нулю.  Поэтому  процесс  кристаллизации  идти  не  может.  При  увеличении 
степени  переохлаждения  увеличивается  разность  свободных  энергий 
твёрдой и жидкой фаз, что ведет к увеличению Ч.Ц. и С.Р. Если жидкость 
переохладить до температуры, соответствующей точке «а», то образуются 
крупные зёрна (рис. 5.2), так 
как  С.Р.  будет  большая  при 
малом  значении Ч.Ц., а при 
малых  значениях  С.Р.  и 
больших  Ч.Ц.  (точка  «в») 
образуется  большое  число 
мелких кристаллов. 
Если  очень  сильно  пе-
реохладить  жидкость,  то 
образование  кристаллитов 
не  происходит,  так  как  при 
низких  температурах  под-
вижность атомов (диффузия) 
уменьшается,  и  они  из  хао-
тичного  расположения  в  жидкости  не  успевают  образовывать  кристалли-
ческие решётки. Следовательно, в этом случае образуется аморфное тело. 
У  металлов  и  сплавов  тоже  возможно  аморфное  состояние,  если  ско-
рости охлаждения будут в пределах 10
6
…10
10
 
о
С/с. Такие сплавы называют 
«металлическими  стёклами».  Они  обладают  высокой  твёрдостью,  пла-
стичностью,  прочностью.  При  больших  толщинах  аморфные  сплавы  по-
лучить не удаётся, так как решающую роль начинает играть теплоотвод из 
средних  слоёв.  Поэтому  аморфные  сплавы  выпускают  в  виде  ленты, 
фольги. 
На  процесс  кристаллизации,  размер  и  форму  кристаллов  оказывают 
влияние (кроме степени переохлаждения) и другие факторы: посторонние 
неметаллические примеси, механические воздействия, теплоёмкость и те-
плопроводность  самого  металла  (сплава),  температура  заливаемого  ме-
талла и формы, состояние поверхности и др. 
Размер зерна металла сильно влияет на его механические свойства. Эти 
свойства  (особенно  вязкость  и  пластичность)  выше,  если  металл  имеет 
мелкое зерно. 
 
С.Р.
Ч.Ц.
в
а
Т
c
С



Ч

.


Достарыңызбен бөлісу:
1   ...   13   14   15   16   17   18   19   20   ...   116




©emirsaba.org 2024
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет