Файл: Материаловедение. Лекции 5-й Семестр (Часть 1).doc

Кристаллизация– самопроизвольный процесс. Как все самопроизвольные процессы, протекающие в природе, он вызван тем, что в новых температурных условиях меньшим запасом свободной энергии обладает металл в другом состоянии.

Свободная энергия:

где внутренняя энергия системы

температура

энтропия

Энергия Гиббса:

Степень переохлаждения: (разность между равновесной и фактической температурой кристаллизации).

равновесная температура кристаллизации. Это температура, при которой свободная энергия жидкой фазы равна свободной энергии твердой фазы: .

При из жидкости будут выделяться кристаллы и тут же растворяться в ней, то есть кристаллы не будут развиваться. Для развития процесса кристаллизации нужно понизить температуру на.

Температура, при которой будет развиваться процесс кристаллизации, называется фактической температурой кристаллизации.

возрастает справа налево. Происходит выигрыш свободной энергии, которая является движущей силой кристаллизации.

За процессом кристаллизации удобно наблюдать, записывая кривые охлаждения (на рисунке представлены кривые охлаждения для чистого металла (не сплава):

равновесная температура кристаллизации

- жидкое состояние.

- горизонтальный участок. Жидкая фаза переходит в твердое состояние. Горизонтальный потому что теплоотвод сопровождается выделением скрытой теплоты кристаллизации .

При увеличении степени переохлаждения скорость кристаллизации увеличивается.

§ 3. Взаимосвязь между основными параметрами кристаллизации.

Д.К. Чернов выделил два элементарных процесса при кристаллизации:

1). Образование мелких кристаллов- центров кристаллизации (зародышей)

2). Дальнейший рост кристаллов из появившихся зародышей.

Эти два процесса протекают одновременно.

Параметры кристаллизации:

1). Степень переохлаждения.

2). Число зародышей (центров)- количество зародышей, образующихся в единичном объеме за единицу времени.

3). Скорость роста кристаллов - линейная скорость перемещения граней кристалла.

12.10.07.

число центров, скорость роста, крупнозернистая структура.

число центров, скорость роста, мелкозернистая структура.

Технические металлы и сплавы не склонны к переохлаждению.

§ 4. Зависимость критического радиуса зародыша от степени переохлаждения.

Каждой степени переохлаждения соответствует свой размер устойчивого зародыша, способному к дальнейшему росту.

Если , то такой зародыш способен к дальнейшему росту.

С увеличением степени переохлаждения: .

Изменяя размер зародыша мы можем управлять процессом кристаллизации.

Если перейти от структуры к свойствам, то с уменьшением размера зерна растет прочность, пластичность и возрастает ударная вязкость.

Предел текучести:

Видно, что предел текучести зависит от среднего размера зерна .

где - прочность монокристалла

- коэффициент, зависящий в частности от плотности дислокаций и кристаллического строения.

Через средний размер зерна мы можем управлять прочностью. Материал, обладающий мелкозернистой структурой- прочный материал. Для крупнозернистой структуры характерны низкие прочности.

Способы регулирования размера кристалла:

- изменение степени переохлаждения ;

- модифицирование- технологическая операция введения в жидкий металл специальных веществ (модификаторов).

Модификаторы:

1. Объемные (когда их вводят в жидкий металл, образуются тугоплавкие химические соединения- готовые центры кристаллизации) (подобно образованию жемчуга из песчинки).

В качестве модификаторов часто используют .

Для того чтобы металл стал модификатором необходимо размерное и структурное соответствие кристаллических решеток модификатора и металла, в который он вводится. То есть можно выделить два принципа, по которым выбирается модификатор:

Принципы:

1). Одинаковые кристаллические решетки металла и модификатора.

2). Близкий атомный радиус (отличие не более 9%)

2. Поверхностно-активные модификаторы (когда их вводят в жидкий металл, атомы модификатора обволакивают зародыш и уменьшают поверхностное натяжение, тем самым уменьшается и увеличивается число зародышей.