Кристаллизация металлов | Материаловедение

Любое вещество может находиться в одном из четы­рех агрегатных состояний: твердом, жидком, газообразном и плазменном. Агрегатное состояние определяется энер­гией взаимодействия атомов. Стабильным (равновесным) при определенных внешних условиях является состояние вещества, при котором оно обладает минимумом свободной энергии. Свободная энергия — часть внутренней энергии вещества. Внутренняя энергия веще­ства — это сумма потенциаль­ной энергии (энергии взаи­модействия) и кинетической энергии частиц (тепловые колебания). Часть внутрен­ней энергии, высвобождающаяся при переходе вещества из одного состояния в другое,называется свободной энергией. Чем больше высвободится свободной энергии, тем меньшей энергией будет обладать вещество, тем более стабильно его состояние. Свободную энергию можно представить как аналог потенциальной энергии (рис. 1).

Рисунок 1 — Стремление системы к уменьшению свободной энергии

В положении 1 шарик имеет максимальную потенциальную энергию. Это положение не является устойчивым, шарик скатывается в положение 2, при котором его потенциальная энергия будет равна 0. Вещество может находиться в метастабильном состоянии (закаленная сталь). Такое состояние не обладает минимумом свободной энергии, но является достаточно устойчивым (стабильным). Вещество в метастабильном состоянии может находиться бесконечно долго при условии постоянства внешних факторов.
Первичная кристаллизация металлов и сплавов. Кри­сталлизация — это переход металла из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллического строения. Это первичная кристаллизация (в отличие от вторичной, когда кристаллы металлических фаз выделяются из твердого вещества).
Рассмотрение кристаллизации для металлов и сплавов на их основе связано с тем, что эти материалы получают методом литья, тогда как многие неметаллические матери­алы производят другими способами. Ряд неметаллических материалов существует в природном виде (углерод), мно­гие химические соединения получают путем химических реакций: карбиды — карбидизацией, нитриды — азотирова­нием и т. п. Процесс кристаллизации (затвердевания) обусловлен стремлением системы к переходу в более устойчивое термодинамическое состояние. При изменении внешних условий, например темпе­ратуры, свободная энергия системы меняется различно для жидкого и твердого (кристаллического) состоя­ния (рис. 2). Выше темпе­ратуры Ts более стабильным
является жидкое состояние, так как металл в этом состоянии имеет меньший запас свободной энергии. Ниже температуры Ts меньшим запасом свободной энергии обладает металл в твердом состоянии. При темпера­туре величины свободных энергий твердого и жидкого состояний равны. Это озна­чает, что металл может нахо­диться в обоих состояниях бесконечно долго, так как пере­ход из одного состояния в другое не будет сопровождаться уменьшением свободной энергии. Температура Ts получила название теоретической температуры кристаллизации.

Рисунок 2 — Изменение свободной энергии (Ts) в зависимости от температуры (Т) жидкого (1) и твердого (2) состояния вещества

Для начала кристаллизации необходимо, чтобы свобод­ная энергия металла в твердом состоянии стала меньше свободной энергии жидкого состояния. Это становится воз­можным при охлаждении жидкости ниже Ts. Температура, при которой фактически начинается процесс кристаллиза­ции, называется фактической температурой кристаллиза­ции (Тк). Охлаждение жидкого металла ниже теоретической температуры кристаллизации называется переохлаждение, а разность между теоретической и фактической температу­рой кристаллизации — степенью переохлаждения (ΔТ):

ΔТ=Тs — Тk

Степень переохлаждения зависит от скорости охлажде­ния жидкого металла. С увеличением скорости охлаждения понижается фактическая температура кристаллизации и, следовательно, возрастает степень переохлаждения. Процесс кристаллизации можно описать с помощью кривых охлаждения, построенных в координатах «тем­пература — время» (рис. 3). Охлаждение в жидком состоянии сопровождается плавным понижением температуры (участок 1 кривой охлаждения), при достижении температуры кристаллизации на кри­вой охлаждения появля­ется горизонтальная пло­щадка (участок 2 кривой охлаждения), т. е. охлаж­дение (понижение темпе­ратуры) останавливается. Это вызвано тем, что отвод тепла компенсируется выделяющейся в процессе кристаллизации скрытой
теплотой кристаллиза­ции. После полного перехода металла из жидкого состояния в твердое температура вновь начинает плавно снижаться (участок 3 кривой охлаждения). Увеличение скорости охлаждения от V1 до V3 приводит к увеличению степени
переохлаждения (см. рис. 3).

Рисунок 3 — Кривые охлаждения металла

Кристаллизация начинается с образования в жидком металле центров кристаллизации и продолжается за счет роста их числа и размеров (рис. 4). Процесс кристаллизации можно охарактеризовать двумя параметрами: числом центров кристаллизации (ЧЦК),

Рисунок 4- Схема процесса кристаллизации

образующихся в единицу времени в единице объема (1 см³/с), и скоростью роста кристаллов (СК ) [мм /с]. Эти параметры зависят от степени переохлаждения, а следовательно, от скорости охлаждения при кристалли­зации металла. В соответ­ствии с законом Таммана для каждой степени пере­охлаждения указанные пара­метры могут иметь только одно значение (рис. 5).
При теоретической темпе­ратуре кристаллизации ( Ts) значения ЧЦК и СК равны 0 и кристаллизация происходить не может. При повышении степени переохлаждения значения ЧЦК и СК возрастают, процесс кристаллизации идет быстро. Это объясняется тем, что при высоких температурах, близких к Тs подвижность атомов велика. При определенных степенях переохлажде­ния значения ЧЦК и СК достигают максимума, после чего снижаются вследствие уменьшения подвижности атомов при низких температурах.

Размер образовавшихся в процессе кристаллизации зерен зависит от соотношения величин ЧЦК и СК, т.е. определяется степенью переохлаждения (скоростью охлаждения
металла в процессе кристаллизации). При малых степенях переохлаждения (низкой скорости охлаждения металла) образуется малое число центров кристаллизации, которые
растут с большой скоростью,—- АТ’ (см. рис. 5). В этом случае структура металла после окончания кристаллизации будет крупнозернистой. При больших степенях переохлаждения, напротив, ЧЦК велико, а СК мала (ДГ» — АТ”’), поэтому структура металла получается мелкозернистой.
Если степень переохлаждения настолько велика, что значения ЧЦК и СК близки к пулю, кристаллизации не происходит. При этом образуется твердое тело, имеющее не кристаллическое строение с «правильным» расположением атомов, а аморфное — с хаотическим расположением атомов — «твердая жидкость». Аморфное состояние
характерно для неметаллических материалов (стекла, полимеры). Для получения аморфного состояния у металлических материалов требуется очень большая скорость охлаждения 10⁶… 10⁷ °С/с.

Контрольные вопросы по курсу «Материаловедение» (270 вопросов по темам №1-9: Кристаллизация. Неметаллические конструкционные материалы)

Факультет материаловедения

 и обработки металлов давлением

Кафедра обработки металлов давлением

и металловедения 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЮ

Новокузнецк

2010

Министерство образования Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования

«СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ УНТВЕРСИТЕТ»

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЮ

Новокузнецк

2010

УДК 620. 22

К64

Рецензент:

К.т.н., доцент

К64   
Контрольные вопросы по материаловедению

/Сост.:
: ГОУ ВПО «СибГИУ» — Новокузнецк, 2010 г – 39 с., ил./

В данной методической работе изложен ряд вопросов по курсу
«Материаловедение» для студентов старших курсов. Предназначено для студентов
специальности «Материаловедение и термическая обработка металлов» (110500)

ВВЕДЕНИЕ

В условиях непрерывного расширения учебных программ роль самостоятельной
работы студентов в процессе обучения должна непрерывно увеличиваться. Однако,
для обеспечения систематического самостоятельного изучения материала студентам
необходим систематический контроль за проведением этой работы со стороны
преподавателя.

Такой контроль возможен, когда на его проведение затрачивается
минимальное количество учебного времени преподавателя, выполняющего проверку
контрольных работ. Как показывает многолетний опыт преподавания, успешное
выполнение студентами контрольных работ. Включающих 15-20 задач за минимальное
время (20-40 мин.), достигается в случае, если при самостоятельном изучении
учебной информации студенты одновременно прорабатывают серию вопросов и задач,
касающихся материала контролируемой темы.

Основная цель таких задач заключается в том, чтобы сделать
самостоятельное изучение учебной информации студентами более конкретным и
целенаправленным, они должны ориентировать студентов на усвоение важнейших
положений изучаемой темы, что трудно выполнить студенту самостоятельно,
особенно при большом объеме материала.

Таким образом, решение задач параллельно с изучением материала по
источникам информации должно содействовать приобретению требуемых знаний при
оптимальном расходе энергии и времени студента за счет улучшения
самостоятельной работы.

Тема № 1. Кристаллизация

1. Почему
металлы при охлаждении ниже определенной температуры затвердевают?

а) Потому что появляются кристаллы

б) Потому что температура ниже температуры

кристаллизации

в) Потому что жидкость загустевает,

г) Это энергетически выгодно: F_тв<F_ж,

2. Что такое
теоретическая температура кристаллизации?

а) Температура, при которой металл

кристаллизуется

б) Температура, при которой металл плавится

в) Температура, при которой кристаллизуется

идеально чистый металл

г) Температура, при которой свободная энергия

жидкости и кристаллов данного вещества равны

3. Что такое
степень переохлаждения?

а) Разница между теоретической температурой

кристаллизации и комнатной

б) Разница между теоретической и реальной

температурой рекристаллизации

в) Разница между реальной температурой и

комнатной

г) Разница между температурой жидкого и твердого

металла

4. Из каких
элементарных процессов состоит процесс кристаллизации?

а) Рост кристаллов из жидкости

б) Зарождение центров кристаллизации и их рост

в) Постепенное загустевание жидкости и образование

кристаллов

г) Охлаждение жидкости и зарождение кристаллов

5. Как влияет
скорость охлаждения при кристаллизации на формирование структуры металла?

а) Не влияет

б) Влияет по-разному в разных металлах и сплавах

в) Чем больше скорость охлаждения, тем мельче

зерна

г) Чем больше скорость охлаждения, тем крупнее

зерна

6. Как можно
получить мелкозернистый металл при кристаллизации?

а) При очистке от вредных примесей

б) При медленном охлаждении

в) За счёт перегрева металла

г) При быстром охлаждении

7. В какой
зоне слитка будут наиболее хорошие механические свойства?

а) В поверхностном слое — в мелкозернистой корке

б) Для данного металла или сплава механические

свойства во всем объёме слитка одинаковы

в) В зоне крупных равноосных кристаллов

8. Каковы
условия получения крупнозернистого металла при кристаллизации?

а) Модифицирование

б) Быстрое охлаждение

в) Охлаждение в металлической форме

г) Медленное охлаждение

9. Как
повлияет на структуру введение в жидкий металл пред его разливкой в формы
мельчайших твердых частиц?

а) Возникнут искажения кристаллической решетки

б) Приведут к измельчению зерна

в) Приведут к укрупнению зерна

г) Структура не изменится

10. В какой
форме затвердевание металла обеспечит более высокие прочностные свойства?

а) В песчано-глинястой

б) В керамической форме

в) Форма не влияет на формирование свойств

г) В металлической форме

11. К какому
результату приведут такие условия кристаллизации:

Что такое процесс затвердевания металла?

Литье — это распространенный процесс затвердевания металла, в котором используется плавление и повторное затвердевание металла или сплава в форме для получения конечного желаемого продукта. Литье часто используется для создания сложных форм, которые было бы сложно или дорого изготовить другими методами. Когда клиенты спрашивают нас, что включает в себя процесс затвердевания, часто возникает путаница. Вот пошаговое объяснение затвердевания металлов и сплавов в отливках.

1. Плавка

Процесс литья начинается с нагревания металлического сплава в тигле до тех пор, пока он не расплавится. Когда металл нагревается выше точки замерзания, он становится жидким. Это также известно как точка плавления. Температура плавления металла зависит от типа используемого металла или сплава. Например, наши цинковые сплавы плавятся при температуре около 900 градусов по Фаренгейту, тогда как некоторые бронзовые сплавы, которые мы заливаем, плавятся при температуре выше 2000 градусов по Фаренгейту (горячее, чем лава). Кроме того, чистые металлы плавятся при одной и той же постоянной температуре. И наоборот, металлические сплавы будут плавиться в диапазоне температур в зависимости от состава материалов. В расплавленном состоянии металл содержит большое количество энергии. Сплав нагревают выше температуры плавления, чтобы дать металлу достаточно времени для охлаждения в процессе заливки.

2. Дегазация/модификация

Когда мы разливаем цинковые или алюминиевые сплавы, они должны быть дегазированы перед заливкой. Для этого в расплав вводят графитовую фурму. Копье вращается очень быстро, и через него впрыскивается аргон, который рассеивает его по расплавленному сплаву. Аргон перемещает растворенный водород и другие загрязняющие вещества на поверхность расплава. Затем это загрязнение удаляют из тигля перед заливкой.

Многие сплавы требуют модификации перед заливкой. Эти модификации повышают текучесть металла, улучшают зернистую структуру, удаляют загрязнения и т. д. Некоторые из материалов, которые мы используем для достижения этой цели, включают титан-бор, медь-фосфор, стронций, марганец и т. д.

3. Заливка

После дегазации и/или модификации металл испытывается, чтобы убедиться, что его температура примерно на 50 градусов (по Фаренгейту) превышает желаемую температуру заливки. Это дает достаточно времени, чтобы металл остыл во время процесса заливки. Тигель транспортируется по подвесному рельсу к линиям разливки. Затем жидкий металл заливают в песчаную форму. Внутри полой полости песчаной формы находится форма желаемого конечного продукта. Иногда эта полость представляет собой только одну часть, а иногда несколько отдельных частей. Крайне важно держать край тигля как можно ближе к песчаной форме, чтобы уменьшить скорость, с которой металл входит в полость формы.

4. Замораживание

После заливки расплавленной жидкости в форму она быстро охлаждается. Когда температура жидкого металла падает ниже точки плавления этого конкретного металла или сплава, начинается процесс затвердевания. Обычно это занимает менее нескольких минут.

5. Затвердевание

По мере дальнейшего снижения температуры расплавленный металл теряет энергию и начинают формироваться кристаллы. Этот процесс начинается у стенок формы, где она сначала остывает. Эти кристаллы в конечном итоге становятся зернами в конечной структуре. Если металл затвердевает медленно, зерна длиннее. Если он быстро остывает, зерна становятся заметно короче. Кристаллы (или дендриты) продолжают формироваться и затвердевать до тех пор, пока весь расплав не затвердеет. В процессе затвердевания металл дает усадку. Важно обеспечить такую ​​усадку, чтобы в отливках не было пустот и усадочных дефектов. Это достигается за счет использования подступенков.

6. Литье

После затвердевания охлажденный металл вынимают или выламывают из песчаной формы для завершения процесса затвердевания. Это готовое изделие также называют отливкой или отливкой. Затем отливки обрезаются, отделываются и полируются в соответствии со спецификациями их окончательного применения.

Хотя в разных методах используется разное оборудование и методы, все формы литья наблюдают за процессом затвердевания металла. Требуется опытный и квалифицированный литейщик, чтобы контролировать этот процесс и избегать дефектов литья, которые могут возникнуть в результате неправильного обращения с этим процессом.

Хотите узнать больше об услугах литья, таких как литье в песчаные формы, прецизионное литье, литье алюминия и т. д.? Свяжитесь с Patriot Foundry , чтобы узнать больше о наших разнообразных услугах по литью цветных металлов.

Условия затвердевания — tech-science

Для затвердевания должны быть выполнены два условия: Расплав должен быть переохлажден и в расплаве должны присутствовать зародыши.

• 1 Введение
• 2 Переохлаждение
• 3 Ядра
• 4 Температура затвердевания
• 5 Экскурс: Переохлажденная вода (ледяной дождь)

Введение

Источником образования микроструктуры обычно является расплавленное состояние. Затем металл отливается и затвердевает. В ходе этого процесса окончательно формируется микроструктура. Задействованные процессы объясняются более подробно ниже.

В жидком состоянии атомы металла распределены совершенно хаотично. Из-за высокой температуры частицы обладают относительно высокой кинетической энергией. В этом состоянии сила притяжения между атомами недостаточна, чтобы прочно связать их вместе. Из-за насильственных процессов столкновения с другими атомами, возможно, краткосрочные существующие связи немедленно снова разрываются.

Рисунок: Условия затвердевания

Переохлаждение

Если теперь расплав постепенно охлаждается, кинетическая энергия частиц также уменьшается по мере снижения температуры. Если температура падает ниже критического значения, взаимное притяжение между частицами берет верх. Связи между атомами теперь могут стать постоянными. Температура затвердевания («температура плавления») была снижена, и микроструктура будет сформирована.

За счет становящихся силами притяжения все больше и больше частиц из расплава прилипают к уже затвердевшей решетчатой ​​структуре. Этот процесс продолжается до тех пор, пока все частицы окончательно не прилипнут к металлической решетке. Поскольку кристаллическая структура металла формируется во время этого процесса затвердевания, его также называют процесс кристаллизации .

Процесс затвердевания кристаллической структуры также называется кристаллизацией!

Поэтому температура расплава должна быть ниже температуры затвердевания материала, чтобы твердые связи оставались постоянно стабильными. Разница между локальной температурой расплава и температурой затвердевания также называется переохлаждением или переохлаждением . Переохлаждение абсолютно необходимо для запуска процесса затвердевания; просто достичь температуры затвердевания недостаточно.

Для запуска процесса затвердевания расплав должен быть переохлажден (переохлажден)!

Хотя переохлаждение является необходимым условием процесса затвердевания, оно само по себе не приведет к затвердеванию расплава! Второе необходимое предварительное условие более подробно объясняется в следующем разделе.

Ядра

Хотя переохлаждение, описанное в предыдущей главе, является необходимым условием процесса затвердевания, его одного недостаточно для затвердевания расплава! Сначала это может показаться немного странным; простой повседневный пример проиллюстрирует это ниже.

С помощью грелки для рук быстро становится ясно, что простого переохлаждения расплава (жидкости) недостаточно для запуска процесса затвердевания! Жидкость, используемая в грелках для рук, часто представляет собой тригидрат ацетата натрия, температура затвердевания которого составляет около 58 ° C.

Однако даже при температурах до -20 °C это жидкое состояние тригидрата ацетата натрия сохраняется. В этом случае даже при переохлаждении до 78 °С расплав не затвердевает. Это состояние также называют переохлажденный расплав  или переохлажденный расплав .

Очевидно, помимо переохлаждения, для затвердевания расплава необходимо выполнение еще одного необходимого условия. Это дополнительное состояние можно очень четко увидеть на грелке для рук. Потому что если металлическую пластину внутри прижать, то внезапно начинается процесс затвердевания.

Причиной затвердевания являются крошечные нерасплавленные остатки тригидрата ацетата натрия (или другие примеси), осевшие в тонких бороздках металлической пластины. Только при прессовании пластинки расплав вступает в контакт с нерасплавленными остатками или другими примесями. Они действуют как так называемые ядра , с которых может начаться затвердевание.

Примечание: До сегодняшнего дня точно не ясно, действительно ли именно этот принцип вызывает затвердевание в грелке для рук. Однако несомненно то, что затвердевание делает зародыши абсолютно необходимыми для запуска процесса кристаллизации.

Таким образом, наличие зародышей является еще одним условием, которое необходимо выполнить, если необходимо запустить процесс затвердевания.

В расплаве должны быть зародыши, чтобы запустить процесс кристаллизации!

Анимация: Затвердевание (поликристалл)

Кстати, образование зерна можно наглядно воспроизвести с помощью грелки для рук. Начиная с зародыша, вокруг этого зародыша скапливается все больше и больше частиц из расплава и постепенно идет процесс кристаллизации. После того, как расплав израсходован, кристаллит ударяется об окружающую оболочку, подобно тому как крупица в металле ударяется о соседние зерна после затвердевания.

Температура затвердевания

Можно сделать вывод, что даже при наличии зародышей затвердевание не происходит до тех пор, пока не происходит переохлаждения (металлическую пластину грелки можно нажимать сколько угодно раз выше температуры плавления – расплав остается жидким).

И наоборот, процесс затвердевания не запускается, даже если в расплаве нет зародышей, несмотря на переохлаждение (несмотря на сильное переохлаждение, грелка для рук остается жидкой до тех пор, пока в расплаве нет зародышей).

Указанные температуры затвердевания являются в конечном счете теоретическими значениями, выше которых любые самообразующиеся зародыши немедленно растворяются. Следовательно, в таких случаях процесс затвердевания не запускается.

Только ниже температуры затвердевания зародыш способен к росту и может начаться кристаллизация!

Таким образом, переохлаждение и зародыши, перенесенные на микроструктуру металлов, всегда являются необходимым условием для затвердевания. Однако ядра не всегда должны быть нерасплавленными остатками жидкости, как в случае с грелкой для рук. Зародыши обычно развиваются другими путями, особенно в расплавленных металлах. Об этом более подробно рассказано в отдельной статье.

Excursus: Переохлажденная вода (ледяной дождь)

Вода также может быть переведена в переохлажденное состояние при температуре значительно ниже -10 °C и оставаться жидкой! Однако для этого требуется очень чистая вода без каких-либо примесей, которые могли бы служить зародышами затвердевания. Разумеется, сосуд, в котором хранится вода, также должен быть свободен от примесей.

Однако, как только вода вступает в контакт с другими частицами (например, при выливании на стол), происходит зародышеобразование, и вода сразу же начинает затвердевать. Даже малейшие вибрации также могут вызвать процесс затвердевания.

В природе переохлажденная вода играет важную роль в так называемом ледяном дожде. Это переохлажденные капли дождя. Сначала они падают на землю в жидком виде.