Лабораторная работа №1 «Изучение процесса кристаллизации металлов и сплавов»
Цель работы
Изучение процесса перехода металлических материалов (металлов и сплавов) из жидкого в твёрдое агрегатное состояние с учётом влияния внешних факторов, а также изучение строения стального слитка.
Оборудование и материалы
Биологический микроскоп Альтами <<Школьный>>, перенасыщенные соли и соли хлористого аммония
1.3 Краткие сведения из теории
Металлы и сплавы являются важнейшими конструкционными материалами, широко применяющимися в технике. Металлам кроме блеска и пластичности присущи высокие теплопроводность и электропроводность.
Получение химически чистых металлов связано со значительными трудностями, а значения их механических характеристик не высоки. В связи с этим в технике повсеместно используются сплавы металлов.
Сплавы – это сложные вещества, в состав которых входит несколько металлов или металлов и неметаллов.
Металлические материалы в твёрдом агрегатном состоянии имеют кристаллическое строение, при котором положительно заряженные ионы расположены в строго определённом порядке, периодически повторяющемся в трёх измерениях пространства. Переход вещества из жидкого состояния в твёрдое называется кристаллизацией.
|
|
|
|
| · · |
| ® Температура, °С |
| Твёрдое состояние |
|
|
|
| Жидкое состояние |
Кристаллизация протекает в условиях, когда система переходит к термодинамически более устойчивому состоянию с меньшей свободной энергией. Под свободной энергией F понимают ту часть внутренней энергии системы, которая может быть превращена в работу. С повышением температуры свободная энергия жидкого и твёрдого состояний металла уменьшается (см. рисунок 1.1).
Рисунок 1.1 – Изменение свободной энергии жидкого и твёрдого состояний в зависимости от температуры
При достижении равновесной температуры 
свободная энергия жидкого и твёрдого состояний равна, а поэтому при этой температуре ни процесс кристаллизации, ни процесс плавления до конца протекать не могут.
Для развития процесса кристаллизации необходимо создать такие условия, при которых свободная энергия твёрдой фазы будет меньше, чем свободная энергия жидкой фазы. Как видно из графика, приведённого на рисунке 1.1, это возможно только при некотором переохлаждении сплава.
Степенью переохлаждения называется разность между равновесной (теоретической) и фактической температурами кристаллизации
.
Для развития процесса плавления необходима некоторая степень перегрева сплава
.
Степень переохлаждения измеряется в градусах Цельсия и зависит от скорости охлаждения, природы и чистоты расплава. Чем больше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждения. Чем чище расплав, тем больше его устойчивость и, следовательно, больше степень переохлаждения.
Наличие нерастворённых частичек в расплаве ускоряет процесс кристаллизации, измельчает зерно. Исследованиями Д.К. Чернова было выявлено, что кристаллизация начинается с образования кристаллических зародышей (центров кристаллизации) и продолжается в условиях роста их числа и размеров.
Число центров кристаллизации (Ч.Ц.) и скорость их роста (С.Р.) зависят от степени переохлаждения. С увеличением степени переохлаждения возрастает число центров кристаллизации и увеличивается скорость их роста; при опредёленной степени переохлаждения наступает максимум.
Однако металлы и сплавы, обладающие в жидком состоянии малой склонностью к переохлаждению, невозможно охладить до таких температур, при которых число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов достигли бы максимума. Поэтому для металлов кривые «Ч.Ц.» и «С.Р.» обрываются уже при малых степенях переохлаждения (сплошные кривые на рисунке 1.2).
Для степени переохлаждения D Т¢ скорости образования центров кристаллизации и их роста малы, поэтому процесс кристаллизации протекает медленно, и зёрна получаются крупные (так как образуется мало центров кристаллизации в единице объёма жидкой фазы).
Для степени переохлаждения D Т¢¢ значительно увеличились как скорость зарождения центров кристаллизации, так и скорость их роста, поэтому процесс кристаллизации будет протекать значительно быстрее, чем при степени переохлаждения D Т¢, а так как при этом увеличивается число центров кристаллизации в единице объёма, зёрна получаются мелкие.
Рисунок 1.2 – Влияние степени переохлаждения на число центров
кристаллизации и скорость роста кристаллов
Таким образом, изменяя степень переохлаждения, можно получить кристаллиты (зёрна) различной величины. От величины зерна зависят многие свойства сплава. На практике измельчение зерна в сплавах достигается также путём модифицирования, т.е. введением в расплав дисперсных частичек веществ-модификаторов, которые становятся дополнительными центрами кристаллизации.
Процесс кристаллизации металлов и сплавов аналогичен процессу кристаллизации солей из водных растворов. При этом образование кристаллов становится возможным наблюдать при помощи биологического микроскопа при комнатных температурах по мере испарения воды, что удобно и безопасно.
Кристаллы в процессе затвердевания металла могут иметь различную форму в зависимости от скорости охлаждения, характера и количества примесей. Чаще всего в процессе кристаллизации образуются разветвлённые или древовидные кристаллы, получившие название дендритов. Первоначально образуются длинные ветви, так называемые оси первого порядка (главные оси дендрита). Одновременно с удлинением осей первого порядка на их рёбрах зарождаются и растут перпендикулярные к ним такие же ветви второго порядка. В свою очередь, на осях второго порядка зарождаются оси третьего порядка и т.д.
На рисунке 1.3 приведен продольный разрез слитка на котором можно выявить характерные зоны кристаллов слитка и дефектов.
| 1 – зона мелких зёрен; 2 – зона столбчатых кристаллов; 3 – зона равноосных кристаллов; 4 – усадочная раковина; 5 – газовые пузыри, пустоты, усадочная рыхлость |
|
Рисунок 1.3 – Схема строения стального слитка спокойной стали
Кристаллизация жидкого металла начинается у поверхности более холодной формы и происходит вначале в примыкающем к поверхности тонком слое сильно переохлаждённой жидкости. Это приводит к образованию на поверхности слитка очень узкой зоны мелких неориентированных зёрен.
За зоной 1 вглубь слитка расположена вторая зона – зона столбчатых кристаллов. Рост этих кристаллов идёт в направлении отвода тепла, и поскольку все кристаллы растут одновременно, то получаются столбчатые (вытянутые) кристаллы, рост которых продолжается до тех пор, пока имеется направленный отвод тепла. В случае сильного перегрева и быстрого охлаждения зона столбчатых кристаллитов может заполнить весь объём слитка.
Этот вид кристаллизации называется транскристаллизацией. Во внутренней части слитка образуется зона 3, состоящая из равноосных различно ориентированных дендритных кристаллов, более крупных вследствие малой скорости охлаждения (вследствие уменьшения DТ). Так как жидкий металл имеет больший удельный объём, чем твёрдый, то в той части слитка, которая застывает в последнюю очередь, образуется пустота – усадочная раковина. Она обычно окружена наиболее загрязнённым металлом, содержащим микро- и макропоры, газовые пузыри и другие дефекты. Кристаллизация зон слитка, а также осей дендритов происходит не одновременно, поэтому металл слитка имеет неоднородность по химическому составу – зональную и дендритную ликвацию.
Выполнение работы
Теория кристаллизации
Термодинамика объясняет кристаллизацию стремлением системы перейти в термическое состояние с меньшим запасом свободной энергии.
Свободная энергия – часть полной энергии, которая может быть затрачена на работу.
Для описания процесса кристаллизации русский ученый Чернов в конце XIX века предложил использовать следующие характеристики:
- скорость образования зародышей кристалла (ЧЦ), 1/с (мм)2
- скорость роста кристаллов (линейная), мм/с
Используя эти характеристики можно приблизительно определить количество зёрен металла n,1/(мм)2 из следующего выражения:
Ч.Ц
С.Р
Степень перегрева – это разница температур между температурой фактического плавления и равновесной температурой. Степень перегрева для всех металлов (1-3 К; С). Степень переохлаждения – разница между теоретической и фактической температуры. Степень переохлаждения для металлов может находиться от (10-370 С). Факторы влияющие на степень переохлаждения:
а) природа металла
б) количество примесей (чем больше примесей, тем меньше Т)
в) скорость охлаждения (чем больше скорость v, тем больше степень переохлаждения)
г) масса кристаллизующегося металла (чем больше масса, тем меньше Т, см. рисунок 1.4)
Рисунок 1.4-пример кристаллизации металлов различной массы