Степень переохлаждения является важнейшим фактором,
Поможем в ✍️ написании учебной работы
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

определяющим величину зерна. При большой скорости охлаждения степень переохлаждения больше и зёрна мельче.

Рис. 10. Кривые охлаждения и плавления

На участке кривой 1-2(см. рис. 10б) подвод тепла сопровождается повышением температуры металла, сохраняющего свою кристаллическую решётку. На участке2-3подвод тепла продолжается, но он не приводит к повышению температуры, т.е. подводимая энергия целиком расходуется на разрушение кристаллической решётки, переход атомов в неупорядоченное состояние. Внешне это проявляется в переходе твёрдого состояния в жидкое. В точке 3 разрушаются последние участки кристаллической решётки, и продолжающийся подвод тепла вызывает повышение температуры жидкого металла(3-4).

При охлаждении происходит обратный процесс. На участке 5-6происходит кристаллизация, сопровождающаяся выделением тепла,

которое называется скрытой теплотой кристаллизации. Для начала процесса кристаллизации необходимо, чтобы процесс сопровождался уменьшением свободной энергии системы. Это возможно при охлаждении жидкости ниже температурыТ S. Появление площадки на кривой охлаждения обусловлено тем, что в момент появления первых кристаллов выделяется скрытая теплота кристаллизации, которая и компенсирует охлаждение.

Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации называется переохлаждением, которое характеризуетсясте-

пенью переохлаждения ( T ):

Т =Ттеор−Ткр.

15

Степень переохлаждения зависит от природы металла, от степени его загрязнённости (чем чище металл, тем больше степень переохлаждения), от скорости охлаждения (чем выше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждения). Следовательно, чем меньше загрязнён металл, тем больше степень переохлаждения при кристаллизации.

Если металл очень сильно переохладить, то число центров и скорость роста кристаллов равны нулю, жидкость не кристаллизуется, образуется аморфное тело. Для металлов, обладающих малой склонностью к переохлаждению, экспериментально обнаруживаются только восходящие ветви кривых.

Силы взаимодействия между атомами в кристаллах по разным направлениям неодинаковы.

Поэтому механические, тепловые, электрические и оптические свойства кристаллов по разным направлениям оказываются различными. Это свойство кристаллов называется анизотропией.

Все кристаллы анизотропны, аморфные тела (стекло, смола)изотропны, т.е. имеют одинаковую плотность атомов в различных направлениях.

Физические свойства кристалла определяются не его цветом, а внутренним строением.

Кристаллические тела также могут быть подразделены на моно-

кристаллы и поликристаллы.Монокристалл – твёрдое тело, частицы которого образуют единую кристаллическую решётку. Определённый порядок в расположении частиц распространяется на весь объём монокристалла. Упорядоченное внутреннее расположение частиц в монокристалле приводит к тому, что и его внешняя форма являетсяправильной. Углы между внешними гранями монокристалла оказываются постоянными. К монокристаллам относятся природные кристаллы (кварц, алмаз, турмалин), крупинки соли, сахара, соды.

Поликристалл – твёрдое тело, состоящее из беспорядочно ориентированных монокристаллов.

Третьим видом твёрдого тела являются композиты. Атомы в композитах располагаются трёхмерно упорядоченно в определённой области пространства, но этот порядок не повторяется с регулярной периодичностью. Композиты, такие как дерево, бетон и др., состоят из различных, связанных друг с другом материалов.

16

Анизотропия свойств важна при использовании монокристаллов – одиночных кристаллов, частицы которых расположены единообразно по всему их объёму. Монокристаллы имеют правильную кристаллическую огранку (в форме естественных многогранников), анизотропны по механическим, электрическим и другим физическим свойствам.

Рост кристаллов происходит по дендритной (древовидной) схеме, характеризующейся тем, что вначале к зародышам присоединяются все новые атомы жидкого металла в направлении, имеющем наибольшую плотность упаковки. В результате

Рис. 11. Дендриты и зерна вырастают длинные ветви, которые называются осями первого порядка.

По мере роста кристалла на осях первого порядка появляются и начинают расти ветви второго порядка, от которых ответвляются оси третьего порядка и т.д., в последнюю очередь идёт кристаллизация в участках между осями. Дендриты растут до тех пор, пока не соприкоснутся друг с другом. После этого окончательно заполняются межосевые пространства и дендриты, деформируя друг друга, превращаются в кристаллы с неправильной внешней огранкой.

Дендритная кристаллизация характеризуется тем, что рост зародышей происходит с неравномерной скоростью.

Металлы и сплавы, применяемые в технике, обычно имеют поликристаллическую структуру, т.е. состоят из множества мелких и различно ориентированных кристаллов, не имеющих правильной кристаллической огранки и называемых кристаллитами (или зёрнами).

Зерно – это кристалл неправильной формы. Мелкое зерно является прочным, крупное – хрупким.

Граница зёрен – это поверхность, по обе стороны от которой кристаллические решётки различаются пространственной ориентацией. Эта поверхность является двумерным дефектом. На границах зёрен в процессе кристаллизации металла скапливаются различные примеси, образуются дефекты, неметаллические включения, оксидные плёнки. В результате металлическая связь между зёрнами нарушается и прочность металла снижается. Состояние границ зёрен металла оказывает большое влияние на их свойства.

17

Рис. 12. Зависимость размера зерна от переохлаждения

Оптимальными условиями для получения мелкозернистой

структуры необходимо: максимальное число центров кристаллизации и малая скорость роста кристаллов.Размер зёрен при кри-

сталлизации зависит и от числа частичек нерастворимых примесей, которые играют роль готовых центров кристаллизации – оксиды, нитриды, сульфиды.

Чем больше частичек, тем мельче зёрна закристаллизовавшегося металла. Стенки изложниц имеют неровности, шероховатости, которые увеличивают скорость кристаллизации.

Чем больше скорость образования зародышей и меньше скорость их роста, тем меньше размер кристалла (зерна), выросшего из одного зародыша, и, следовательно, более мелкозернистой будет структура металла.

По механизму воздействия различают:

1)вещества, не растворяющиеся в жидком металле, выступают в качестве дополнительных центров кристаллизации;

2)поверхностно-активныевещества, которые растворяются в металле и, осаждаясь на поверхности растущих кристаллов, препятствуют их росту.

Величина зёрен зависит от числа центров кристаллизации и ско-

рости роста кристаллов. Чем больше центров кристаллизации, тем мельче зерно металла. Величина зёрен, образующихся при кристаллизации, зависит не только от количества самопроизвольно зарождающихся центров кристаллизации, но также и от количества нерастворимых примесей, всегда имеющихся в жидком металле. На образование центров кристаллизации влияет и скорость охлаждения. Чем выше скорость охлаждения, тем больше возникает центров кристаллизации и, следовательно, мельче зерно металла.

В реальных условиях самопроивольное зарождение кристаллов в жидком металле затруднено. Источником образования зародышей служат различные твёрдые частицы: неметаллические включения, оксиды, продукты раскисления. Чем больше примесей, тем больше центров кристаллизации, тем мельче зерно. Иногда в металл специально вводят вещества, которые способствуют измельчению зерна. Эту операцию назы-

вают модифицированием, а специально вводимые посторонние ве-

щества – модификаторами.

18

Рис. 13. Схема кристаллизации металла

Модифицирование – использование специально вводимых в

жидкий металл примесей (модификаторов) для получения мелкого зерна. Эти примеси, практически не изменяя химического состава сплава, вызывают при кристаллизации измельчение зерна и в итоге улучшение механических свойств.

Дата: 2018-09-13, просмотров: 453.