Практикум / Э. Г. Бабенко [и др.]. Хабаровск : Изд-во двгупс
ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ПЕРВИЧНОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ
жүктеу/скачать 4,3 Mb. Pdf көрінісі
|
- Бұл бет үшін навигация:
- Приборы и оборудование
| 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 .Р . , Ч .Ц . жүктеу/скачать 4,3 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|