Для изготовления деталей машин требуются материалы с различными свойствами, способные работать при высоких нагрузках, положительных и отрицательных внешних температурах, зачастую в агрессивных или абразивных средах. Правильный выбор металлов или сплавов при конструировании, выбор оптимальных способов технологической переработки (от заготовительных операций до механической обработки), поведение изделия в разных условиях эксплуатации определяются свойствами выбираемых конструкционных материалов, которые зависят от их природы и внутреннего строения.

Металловедение — наука, устанавливающая связь между составом, структурой и свойствами металлов и сплавов и изучающая закономерности их изменения при физических или химических воздействиях.

Металлы и сплавы принято делить на две группы: черные металлы и сплавы — железо и сплавы на его основе; цветные металлы и сплавы. Кобальт, никель и марганец часто относят к металлам железной группы. Цветные металлы разделяют на: легкие; легкоплавкие; тугоплавкие; благородные; обладающие химической инертностью; урановые; редкоземельные; лантаноиды; щелочноземельные.

1. Кристаллическое строение металлов

Все металлы и сплавы имеют кристаллическое строение — атомы (ионы) расположены не хаотично, а в определенном порядке. При этом мелкие кристаллы различно ориентированы по отношению друг к другу.

В твердом состоянии металл представляет собой систему из положительно заряженных ионов, «омываемых газом» из свободных коллективизированных электронов. В системе действуют электростатические силы притяжения (металлическая связь).

Силы связи в металлах определяются силами притяжения и силами отталкивания между электронами и ионами. Атомы располагаются на таком расстоянии друг от друга, на котором суммарная сила взаимодействия минимальна. Поэтому в металлах атомы располагаются закономерно, в геометрически правильном порядке, соприкасаясь внешними электронными сферами, образуя правильную кристаллическую решетку, соответствующую минимальной энергии взаимодействия.

Кристаллическая решетка состоит из воображаемых линий и плоскостей, проходящих через точки расположения ионов в пространстве. Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла в любом объеме, называется элементарной кристаллической ячейкой. Большинство металлов имеют кристаллическую решетку одного из трех типов:

- объемно-центрированный куб — ОЦК — имеют металлы РЬ, К, Na, Li, Ti, W, Та, Cr и др.;

- гранецентрированный куб — ГЦК — имеют металлы Sr, Tn, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Pt и др.;

- гексагональная плотно упакованная решетка — ГПУ — имеют металлы Mg, Cd, Os, Zn и др.

Расстояние между центрами ближайших атомов в элементарной ячейке называется периодом ячейки. Он выражается в нанометрах (1 нм = 10-11 м).

На одну элементарную ячейку ОЦК приходятся два атома: один в центре, другой — в вершине куба. На одну элементарную ячейку ОЦК приходятся четыре атома: один в вершине куба, а три — атомы, находящиеся в середине грани.

Плотность кристаллической решетки характеризуется координационным числом, равным числу атомов, находящихся на одинаковом и наименьшем расстоянии от рассматриваемого атома. В элементарной ячейке ОЦК расстояние между атомами равно 0,5√3а.

На этом расстоянии у атома находятся восемь соседей. Координационное число равно 8 и обозначается К8 (К — кубическая решетка). Плотность упаковки атома (коэффициент компактности ячейки), равная отношению объема, занятого атомами, к объему ячейки, составляет 68 %.

Для ГЦК координационное число равно К12; плотность упаковки — 74 %. Для ГПУ в качестве характеристики ячейки принимаются два параметра: сторона шестиугольника а и высота призмы b. Координационное число равно Г12 (Г — гексагональная решетка).

studfiles.net

Кристаллизация металлов — реферат

Министерство образования и науки Российской федерации

ФГБОУ ВПО «Московский Государственный Горный Университет»

Кафедра

«Обогащение полезных ископаемых»

РЕФЕРАТ

По дисциплине: Материаловедение. ТКМ.

На тему: Кристаллизация металлов.

Выполнил(а): ст. гр. ОПИ-10

Лопсан Д.С.

_________________________

Подпись

Принял(а): ст преп.каф.ОПИ

Вишкова А.А

_________________________

Подпись

Москва 2014г

Содержание

Введение………………………………………………………………………………3

1.1. Понятие кристаллизации.......................................................................................5

1.2. Кристаллическое строение металлов …………………………………………..7

1.3. Гомогенная (самопроизвольная) кристаллизация……………………………10

1.4. Гетерогенная (несамопроизвольная) кристаллизация…………………….…12

Заключение…………………………………………………………………………14

Список литературы……………………………………………………………...…..15

Введение[1,2].

Когда говорят о кристаллизации, обычно подразумевают процесс превращения воды в лед. Общие закономерности этого процесса хорошо известны, но истинные перемещения атомов, происходящие при этом, еще неполностью выяснены. В этом и заключается актуальность данной темы реферата. Металлы также могут переходить из жидкого состояния в твердое, но, как и в случае превращения воды в лед, механизм этого процесса не вполне ясен. Это одновременно удивительно и печально, так как металл на определенных стадиях изготовления из него большинства деталей или изделий претерпевает переход из жидкого состояния в твердое. Когда деталь отлита в форму, структура, образующаяся сразу после затвердевания, определяет многие свойства изделия. Это справедливо даже для слитков, несмотря на распространенное, но неправильное мнение, что дефекты могут быть ликвидированы при ковке. На практике многие дефекты, проходя через все стадии изготовления, доходят до готового изделия, будь то подвеска автомобиля или ножки металлического стула. Наличие значительных дефектов не позволяет получить желаемые механические свойства, а колебания в химическом составе приводят к тому, что коррозионные и усталостные свойства в разных местах изделия становятся различными.

Для инженера и ученого важно получить в твердом состоянии металл, однородный по химическому составу, не содержащий значительных дефектов и обладающий определенными, одинаковыми по всему объему, механическими и физическими свойствами.

Все металлы могут находиться в твердом, жидком или в газообразном состояниях. Переход из твердого состояния в жидкое происходит при определенной температуре плавления, переход из жидкого состояния в газообразное происходит при температуре кипения. Эти температуры зависят от давления. Температура плавления является одной из важнейших характеристик металла.

Процессы нагрева или охлаждения, при которых происходит переход металла из одного состояния в другое, связаны с получением или потерей тепла. Все превращения в природе, протекающие самопроизвольно, вызываются стремлением системы к переходу из неустойчивого состояния в более устойчивое, обладающее меньшим запасом свободной энергии.

С изменением температуры свободная энергия для жидкого и твердого (кристаллического) состояния изменяется различно. Но для каждого металла есть такая температура, при которой свободные энергии жидкого и твердого состояний равны, металл в обоих состояниях находится в равновесии. Эта температура и называется теоретической температурой кристаллизации.

Практически процесс кристаллизации металлов происходит при температуре ниже теоретической температуры кристаллизации, т. е. при некоторой фактической температуре кристаллизации.

Охлаждение жидкого металла ниже теоретической температуры кристаллизации носит название явления переохлаждения. Разность между теоретической и фактической температурами кристаллизации называется степенью переохлаждения.

Процесс кристаллизации, т. е. переход из жидкого состояния в твердое, изображается кривыми охлаждения, которые строятся в координатах температура — время.

Жидкий металл при охлаждении не испытывает качественных изменений: кривая охлаждения идет плавно. При достижении теоретической температуры кристаллизации на кривой охлаждения появляется горизонтальная площадка, так как отвод тепла компенсируется выделяющейся при кристаллизации скрытой теплотой кристаллизации. Когда закончится процесс кристаллизации, кривая охлаждения снижается опять плавно.

У некоторых металлов как, например, у сурьмы, из-за большого переохлаждения скрытая теплота кристаллизации выделяется настолько бурно, что температура скачкообразно повышается и приближается к теоретической температуре кристаллизации. Процесс кристаллизации имеет важное значение, так как все превращения определяют структуру металла, а, следовательно, и его свойства.

Рассмотрим подробней понятие кристаллизации, ее виды и кристаллическое строение металлов.

1.1. Понятие кристаллизации[1,2,4].

Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией. Кристаллизация протекает вследствие перехода к более устойчивому состоянию с меньшей свободной энергией. Свободные энергии жидкого и твердого состояний уменьшаются с повышением температуры. При достижении равновесной температуры свободные энергии жидкого и твердого состояний равны, а поэтому при этой температуре ни процесс кристаллизации, ни процесс плавления до конца протекать не могут. Эта температура называется равновесной или теоретической температурой кристаллизации. Процесс кристаллизации развивается, если созданы условия, при которых возникает разность свободных энергий, образующаяся вследствие меньшей свободной энергии твердого металла, чем жидкого. Это возможно только тогда, когда жидкость охлаждена ниже точки равновесной температуры, например, до температуры кристаллизации, называемой фактической температурой кристаллизации. Разность температур равновесной и кристаллизации называется степенью переохлаждения. Процесс кристаллизации можно изобразить кривыми в координатах температура — время. разной скоростью. Они позволяют проследить ход процесса кристаллизации металла. Сначала, когда металл находится в жидком состоянии, температура понижается равномерно до температуры кристаллизации, лежащей ниже равновесной температуры. При достижении температуры кристаллизации на кривой охлаждения появляется горизонтальная площадка, так как отвод теплоты в окружающую среду компенсируется выделяющейся при кристаллизации скрытой теплотой кристаллизации. После окончания кристаллизации температура вновь понижается равномерно. Чем больше скорость охлаждения, тем больше и степень переохлаждения. Поэтому процесс кристаллизации закончится при более низкой температуре. Великий русский ученый Д.К. Чернов установил, что процесс кристаллизации состоит из двух стадий: зарождения мельчайших частиц кристаллов (зародышей или центров кристаллизации) и роста кристаллов из этих центров. Зародышами кристаллов в жидком растворе являются устойчивые группы атомов, расположение которых близко к кристаллическому. Такую кристаллизацию называют самопроизвольной (гомогенной). Рост кристаллов заключается в том, что к их зародышам присоединяются все новые атомы жидкого металла. Сначала кристаллы растут свободно, сохраняя правильную геометрическую форму, но это происходит только до момента встречи растущих кристаллов. В месте соприкосновения кристаллов рост отдельных их граней прекращается, и развиваются не все, а только некоторые грани кристаллов. В результате кристаллы не имеют правильной геометрической формы. Такие кристаллы называют кристаллитами или зернами. Величина зерна зависит от числа центров кристаллизации (ч.ц.) и скорости роста кристаллов (с.к.). Чем больше центров кристаллизации, тем больше кристаллов образуется в данном объеме. На образование центров кристаллизации влияет степень переохлаждения. Чем больше степень переохлаждения металла, тем больше возникает в нем центров кристаллизации, и зерна получаются мельче. Размер зерна металла в большой степени влияет на его механические свойства. Эти свойства, особенно вязкость и пластичность, выше, если металл имеет мелкое зерно. Для получения мелкого зерна при затвердевании металла используют модифицирование, т.е. введение в жидкий металл тугоплавких мелких частичек, служащих дополнительными центрами кристаллизации. Такую кристаллизацию называют несамопроизвольной (гетерогенной). Степень переохлаждения влияет не только на величину кристаллов, но и на их форму. При очень малых степенях переохлаждения образуются кристаллы правильной геометрической формы. При больших степенях переохлаждения возникают кристаллы иной формы, при этом наиболее распространена дендритная форма. Дендритная кристаллизация характеризуется тем, что рост зародышей происходит с неравномерной скоростью. После образования зародышей их развитие идет главным образом в тех направлениях решетки, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов. В этих направлениях образуются длинные ветви будущего кристалла — так называемые оси первого порядка.

Распределенными углами начинают расти новые оси, которые называют осями второго порядка, от осей второго порядка растут оси третьего порядка и т.д. По мере кристаллизации образуются оси более высокого порядка, которые постепенно заполняют все промежутки, ранее занятые жидким металлом.

1.2. Кристаллическое строение металлов [1,4].

У металлов электроны на внешних оболочках имеют слабую связь с ядром, легко отрываются и могут свободно перемещаться между положительно заряженными ядрами. Следовательно, в металле положительно заряженные ионы окружены коллективизированными электронами. Так как эти электроны подвижны аналогично частицам газа, то используется термин «электронный газ».

Металлургический тип связи характерен тем, что нет непосредственного соединения атомов друг с другом, нет между ними прямой связи. Атомы в металлах размещаются закономерно, образуя кристаллическую решетку.

Кристаллическая решетка - это мысленно проведенные в пространстве прямые линии, соединяющие ближайшие атомы и проходящие через их центры, относительно которых они совершают колебательные движения. В итоге образуются фигуры правильной геометрической формы - кристаллическая решетка (рис. 1.1).

Каждый атом принадлежит 8 кристаллическим решеткам. В аморфных телах с хаотическим расположением атомов в пространстве, свойства в различных направлениях одинаковы, а в кристаллических телах расстояния между атомами в различных направлениях неодинаковы, поэтому различны и свойства. Тип кристаллической решетки (рис. 1.2) зависит от металла, температуры и давления. Это используется при термообработке металлов для упрочнения их.

Реальные металлы состоят из большого количества кристаллов, различно ориентированных в пространстве относительно друг друга. На границах зерен атомы кристаллов не имеют правильного расположения, здесь скапливаются примеси, дефекты и включения. Экспериментально установлено, что внутреннее кристаллическое строение зерен не является правильным. В решетках имеются различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связь между атомами и оказывают влияние на свойства металлов.

Имеются следующие несовершенства в кристаллических решетках:

1. Точечные (рис. 1.3):

а) Наличие вакансий, т. е. мест в решетке, не занятых атомами. Это происходит из-за смещения атомов от равновесного состояния. Число вакансий увеличивается с ростом температуры.

б) Дислоцированные атомы, т. е. атомы вышедшие из узла решетки и занявшие место в междоузлии.

в) Примесные атомы, т.е. в основном металле имеются чужеродные примеси. Например, в чугуне основными атомами являются атомы железа, а примесными- атомы углерода, которые или занимают место основного атома, или внедряются внутрь ячейки.

2. Поверхностные несовершенства, имеющие небольшую толщину при значительных размерах в двух других направлениях.

3. Линейные несовершенства (цепочки вакансий, дислокаций и т. д.).

Линейные дефекты малы в двух направлениях и значительно большего размера в третьем.

Остывая, расплавленный металл затвердевает. Переход металла из жидкого состояния в твердое сопровождается группировкой его атомов в кристаллические решетки. Процесс образования кристаллических решеток при остывании металла называется кристаллизацией. Явления, происходящие в расплавленном металле при его остывании, можно проследить по кривым охлаждения. Для построения такой кривой через определенные промежутки времени измеряют температуру расплавленного металла и откладывают ее значения на вертикальной оси, а значения времени откладывают на горизонтальной оси. Температура, при которой металл превращается из жидкого в твердый, а также из твердого в жидкий, называется критической точкой.. В действительности при охлаждении металла до критической точки кристаллизация не начинается, пока температура не достигнет величины, меньшей критической точки. Металл при этом переохлаждается. При образовании кристаллических решеток происходит выделение тепла. Поэтому температура металла резко поднимается почти до критической и не падает до полного затвердевания металла. Скопление большого количества кристаллических решеток образует кристалл. Металл состоит из множества кристаллов. Свойства кристаллов зависят от расположения атомов внутри них. Рассмотрев кристаллическую решетку, увидим, что расстояния между атомами не равны друг другу. Следовательно, силы взаимодействия между атомами в разных направлениях будут неодинаковы. Поэтому свойства кристаллов в одном направлении отличаются от их свойств в другом направлении. Такое различие свойств является одной из важнейших особенностей кристаллов.

1.3. Гомогенная (самопроизвольная) кристаллизация [3].

Самопроизвольная кристаллизация обусловлена стремлением вещества иметь более устойчивое состояние, характеризуемое уменьшение термодинамического потенциалы G. С повышением температуры термодинамический потенциал вещества как в твердом, так и в жидком состоянии уменьшается. Температура, при которой термодинамические потенциалы в твердом и жидком состоянии равны, называется равновесной температурой кристаллизации. Кристаллизация происходит в том случае, если термодинамический потенциал в твердом состоянии будет меньше термодинамического потенциала в жидком состоянии, т. е. при переохлаждении жидкого металла до температр ниже равновесной. Зарождение кристаллов может быть определено как процесс образования в какой-либо ограниченной части объема новой фазы, отделенной от остального вещества границей раздела. В случае затвердевания зарождение заключается в образовании в жидкости мельчайших частиц твердой фазы (центров кристаллизации). Для ответа на вопрос о том, как и когда произошло зарождение центров кристаллизации, необходимо рассмотреть проблему зарождения как с термодинамической, так и с кинетической точки зрения. С термодинамической точки зрения существует только одна температура, при которой чистый металл в твердом состоянии может находиться в равновесии с чистым жидким металлом. При этой температуре свободные энергии двух фаз равны. Ниже температуры кристаллизации или плавления твердая фаза является стабильной, так как она обладает меньшей свободной энергией; выше температуры кристаллизации — стабильна жидкая фаза. Ниже точки плавления металл должен находиться в твердом состоянии, так как в этом случае переходу из жидкого состояния в твердое соответствует уменьшение объемной свободной энергии системы. То есть чем больше величина переохлаждения, тем больше выигрыш в свободной энергии, получаемый при переходе из жидкого состояния в твердое. Если изменение свободной энергии отрицательно при превращении переохлажденной жидкости в твердое тело, то почему это превращение не происходит сразу же после того, как температура расплава окажется ниже равновесной температуры кристаллизации? Выше рассматривалось лишь изменение объемной свободной энергии системы. Когда же атомы группируются таким образом, что образуется зародыш или центр кристаллизации, то между ним и жидкостью возникает поверхность раздела. Образование поверхности раздела приводит к затрате энергии, что вызывает некоторое увеличение свободной энергии системы при возникновении зародыша. Зародыш может расти только в том случае, если суммарная свободная энергия системы уменьшается.

referat911.ru

Кристаллизации металлов — реферат

Кристаллизации металлов.

1.Определение (Кристаллиза́ция)

2.Механизм и закономерности кристаллизации металлов.

3.Условия получения мелкозернистой структуры

4.Строение металлического слитка

Кристаллиза́ция — процесс фазового перехода вещества из жидкого состояния в твёрдое кристаллическое с образованием кристаллов. Фазой называется однородная часть термодинамической системы отделённая от других частей системы(других фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав, структура и свойства вещества изменяются скачками.

Кристаллизация — это процесс выделения твёрдой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов, в химической промышленности процесс кристаллизации используется для получения веществ в чистом виде.

Кристаллизация начинается при достижении некоторого предельного условия, например, переохлаждения жидкости или пересыщения пара, когда практически мгновенно возникает множество мелких кристалликов — центров кристаллизации. Кристаллики растут, присоединяя атомы или молекулы из жидкости или пара. Рост граней кристалла происходит послойно, края незавершённых атомных слоев (ступени) при росте движутся вдоль грани. Зависимость скорости роста от условий кристаллизации приводит к разнообразию форм роста и структуры кристаллов (многогранные, пластинчатые, игольчатые, скелетные, дендритные и другие формы, карандашные структуры и т. д.). В процессе кристаллизации неизбежно возникают различные дефекты.

На число центров кристаллизации и скорость роста значительно влияет степень переохлаждения.

Степень переохлаждения — уровень охлаждения жидкого металла ниже температуры перехода его в кристаллическую (твердую) модификацию. С.п. необходима для компенсации энергии скрытой теплоты кристаллизации. Первичной кристаллизацией называется образование кристаллов в металлах (и сплавах) при переходе из жидкого состояния в твердое.

Любое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном. Возможен переход из одного состояния в другое, если новое состояние в новых условиях является более устойчивым, обладает меньшим запасом энергии.

С изменением внешних условий свободная энергия изменяется по сложному закону различно для жидкого и кристаллического состояний. Характер изменения свободной энергии жидкого и твердого состояний с изменением температуры показан на рис. 3.1.

Рис.3.1. Изменение свободной энергии в зависимости от температуры

В соответствии с этой схемой выше температуры ТS вещество должно находиться в жидком состоянии, а ниже ТS – в твердом.

При температуре равной ТS жидкая и твердая фаза обладают одинаковой энергией, металл в обоих состояниях находится в равновесии, поэтому две фазы могут существовать одновременно бесконечно долго. Температура ТS – равновесная или теоретическая температура кристаллизации.

Для начала процесса кристаллизации необходимо, чтобы процесс был термодинамически выгоден системе и сопровождался уменьшением свободной энергии системы. Это возможно при охлаждении жидкости ниже температуры ТS. Температура, при которой практически начинается кристаллизация называется фактической температурой кристаллизации.

Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации называется переохлаждением, которое характеризуется степенью переохлаждения( ):

Степень переохлаждения зависит от природы металла, от степени его загрязненности (чем чище металл, тем больше степень переохлаждения), от скорости охлаждения (чем выше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждени).

Рассмотрим переход металла из жидкого состояния в твердое.

При нагреве всех кристаллических тел наблюдается четкая граница перехода из твердого состояния в жидкое. Такая же граница существует при переходе из жидкого состояния в твердое.

Кристаллизация – это процесс образования участков кристаллической решетки в жидкой фазе и рост кристаллов из образовавшихся центров.

Кристаллизация протекает в условиях, когда система переходит к термодинамически более устойчивому состоянию с минимумом свободной энергии.

Процесс перехода металла из жидкого состояния в кристаллическое можно изобразить кривыми в координатах время – температура. Кривая охлаждения чистого металла представлена на рис. 3.2.

Рис.3.2. Кривая охлаждения чистого металла

– теоретическая температура кристаллизации;

. – фактическая температура кристаллизации.

Процесс кристаллизации чистого металла:

До точки 1 охлаждается металл в жидком состоянии, процесс сопровождается плавным понижением температуры. На участке 1 – 2 идет процесс кристаллизации, сопровождающийся выделением тепла, которое называется скрытой теплотой кристаллизации. Оно компенсирует рассеивание теплоты в пространство, и поэтому температура остается постоянной. После окончания кристаллизации в точке 2 температура снова начинает снижаться, металл охлаждается в твердом состоянии.

Механизм и закономерности кристаллизации металлов.

При соответствующем понижении температуры в жидком металле начинают образовываться кристаллики – центры кристаллизации или зародыши. Для начала их роста необходимо уменьшение свободной энергии металла, в противном случае зародыш растворяется.

Минимальный размер способного к росту зародыша называется критическим размером, а зародыш – устойчивым.

Переход из жидкого состояния в кристаллическое требует затраты энергии на образование поверхности раздела жидкость – кристалл. Процесс кристаллизации будет осуществляться, когда выигрыш от перехода в твердое состояние больше потери энергии на образование поверхности раздела. Зависимость энергии системы от размера зародыша твердой фазы представлена на рис. 3.3.

Зародыши с размерами равными и большими критического растут с уменьшением энергии и поэтому способны к существованию.

Рис.3.3. Зависимость энергии системы от размера зародыша твердой фазы

Механизм кристаллизации представлен на рис.3.4.

Рис.3.4. Модель процесса кристаллизации

Центры кристаллизации образуются в исходной фазе независимо друг от друга в случайных местах. Сначала кристаллы имеют правильную форму, но по мере столкновения и срастания с другими кристаллами форма нарушается. Рост продолжается в направлениях, где есть свободный доступ питающей среды. После окончания кристаллизации имеем поликристаллическое тело.

Качественная схема процесса кристаллизации может быть представлена количественно кинетической кривой (рис.3.5).

Рис. 3.5. Кинетическая кривая процесса кристаллизации

Процесс вначале ускоряется, пока столкновение кристаллов не начинает препятствовать их росту. Объем жидкой фазы, в которой образуются кристаллы уменьшается. После кристаллизации 50 % объема металла, скорость кристаллизации будет замедляться.

Таким образом, процесс кристаллизации состоит из образования центров кристаллизации и роста кристаллов из этих центров.

В свою очередь, число центров кристаллизации (ч.ц.) и скорость роста кристаллов (с.р.) зависят от степени переохлаждения (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Зависимость числа центров кристаллизации (а) и скорости роста кристаллов (б) от степени переохлаждения

Размеры образовавшихся кристаллов зависят от соотношения числа образовавшихся центров кристаллизации и скорости роста кристаллов при температуре кристаллизации.

При равновесной температуре кристаллизации ТS число образовавшихся центров кристаллизации и скорость их роста равняются нулю, поэтому процесса кристаллизации не происходит.

Если жидкость переохладить до температуры, соответствующей т.а, то образуются крупные зерна (число образовавшихся центров небольшое, а скорость роста – большая).

При переохлаждении до температуры соответствующей т.в – мелкое зерно (образуется большое число центров кристаллизации, а скорость их роста небольшая).

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.

Условия получения мелкозернистой структуры.

Стремятся к получению мелкозернистой структуры. Оптимальными условиями для этого являются: максимальное число центров кристаллизации и малая скорость роста кристаллов.

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

Чем больше частичек, тем мельче зерна закристаллизовавшегося металла.

Стенки изложниц имеют неровности, шероховатости, которые увеличивают скорость кристаллизации.

Мелкозернистую структуру можно получить в результате модифицирования, когда в жидкие металлы добавляются посторонние вещества – модификаторы,

По механизму воздействия различают:

1.Вещества не растворяющиеся в жидком металле – выступают в качестве дополнительных центров кристаллизации.

2.Поверхностно - активные вещества, которые растворяются в металле, и, осаждаясь на поверхности растущих кристаллов, препятствуют их росту.

Литература:

http://ru.wikipedia.org

http://delta-grup.ru/bibliot/3k/6-1.htm

http://nwpi-fsap.narod.ru/lists/materialovedenie_lect/3.html

Рис. Кривые охлаждения при кристаллизации:

1 — теоретическая кривая кристаллизации металлов; 2 — кривая кристаллизации металла с переохлаждением; 3 — кривая охлаждения с петлей; 4 — кристаллизация неметалла

Рис. Влияние степени переохлаждения на скорость кристаллизации (с. к.) и число центров (ч. ц.)

При небольшом переохлаждении образуется малое количество крупных кристаллов, при большом — образуется значительное количество мелких кристаллов. Это находит место в практике литейного производства: при литье тонкостенных деталей получается мелкозернистая структура, а при литье деталей с толстыми стенками — крупнозернистая.

referat911.ru

Читать реферат по всему другому: "Кристаллизация металлов и сплавов"

(Назад) скачать (Cкачать работу)

Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!

Содержание Введение

. Кристаллическое строение металлов

. Процесс кристаллизации расплавов металлов

.1 Кристаллизация металлов и сплавов

.2 Строение слитка

Заключение

Список использованной литературы Введение Для изготовления деталей машин требуются материалы с различными свойствами, способные работать при высоких нагрузках, положительных и отрицательных внешних температурах, зачастую в агрессивных или абразивных средах. Правильный выбор металлов или сплавов при конструировании, выбор оптимальных способов технологической переработки (от заготовительных операций до механической обработки), поведение изделия в разных условиях эксплуатации определяются свойствами выбираемых конструкционных материалов, которые зависят от их природы и внутреннего строения.

Металловедение - наука, устанавливающая связь между составом, структурой и свойствами металлов и сплавов и изучающая закономерности их изменения при физических или химических воздействиях.

Металлы и сплавы принято делить на две группы: черные металлы и сплавы - железо и сплавы на его основе; цветные металлы и сплавы. Кобальт, никель и марганец часто относят к металлам железной группы. Цветные металлы разделяют на легкие; легкоплавкие; тугоплавкие; благородные; обладающие химической инертностью; урановые; редкоземельные; лантаноиды; щелочноземельные.

Общим для всех металлов является: характерный металлический блеск, хорошая отражательная способность и непрозрачность; высокие пластические свойства; высокая теплопроводность и электропроводимость; зависимость электропроводимости от температуры; термоэлектронная эмиссия - способность испускать электроны при нагреве. 1. Кристаллическое строение металлов Все металлы и сплавы имеют кристаллическое строение - атомы (ионы) расположены не хаотично, а в определенном порядке. При этом мелкие кристаллы различно ориентированы по отношению друг к другу.

объемно-центрированный куб - ОЦК - имеют металлы РЬ, К, Na, Li, Ti, W, Та, Cr и др.;

гранецентрированный куб - ГЦК - имеют металлы Sr, Tn, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Pt и др.;

гексагональная плотно упакованная решетка - ГПУ - имеют металлы Mg, Cd, Os, Zn и др.

На одну элементарную ячейку ОЦК приходятся два атома: один в центре, другой - в вершине куба. На одну элементарную ячейку ОЦК приходятся четыре атома: один в вершине куба, а три - атомы, находящиеся в середине грани.

На этом расстоянии у атома находятся восемь соседей. Координационное число равно 8 и обозначается К8 (К - кубическая решетка). Плотность упаковки атома (коэффициент компактности ячейки), равная отношению объема, занятого атомами, к объему ячейки, составляет 68 %.

Для ГЦК координационное число равно К12; плотность упаковки - 74 %. Для ГПУ в качестве характеристики ячейки принимаются два параметра: сторона шестиугольника а и высота призмы b. Координационное число равно Г12 (Г - гексагональная решетка).

В разных сечениях (плоскостях) кристаллической решетки число атомов неодинаково. Поэтому свойства кристалла (механические, физические и химические) в различных направлениях разные. Это свойство кристаллов называется анизотропией. 2. Процесс кристаллизации расплавов металлов .1 Кристаллизация металлов и сплавов Кристаллизация - переход металла (сплава) из жидкого состояния в твердое - происходит в условиях, когда расплав переходит к термодинамически более устойчивому состоянию с меньшей свободной энергией (свободная энергия кристалла меньше свободной энергии жидкой фазы).

Влияние температуры на свободную энергию жидкой (Gж) и твердой фазы (Gт) показано на рис. 1а.

При температуре плавления Тпл жидкая и твердая фазы существуют одновременно. Реальный процесс кристаллизации протекает при переохлаждении металла ниже теоретической температуры кристаллизации Тпл. Величина ∆Т= Тпл - Ткр называется степенью переохлаждения.

Термические кривые, характеризующие процесс кристаллизации чистых металлов при охлаждении с разной скоростью, приведены на рис. 1 б (v- скорость охлаждения, v1

Вначале, когда металл находится в жидком состоянии, температура системы уменьшается плавно. При достижении температуры Тпл на кривой охлаждения появляется горизонтальная площадка, так как отвод теплоты в окружающую среду компенсируется выделяющейся при кристаллизации скрытой теплотой кристаллизации.

По окончании кристаллизации температура вновь уменьшается плавно. При медленном охлаждении (v1) степень переохлаждения мала, и кристаллизация протекает при температуре, близкой к теоретической температуре кристаллизации Тпл. С увеличением скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает, и кристаллизация происходит при более низких температурах.

Рисунок 1. Охлаждение расплава и начало кристаллизации а - изменение свободной энергии (G) в жидком (G Ж) и твердом (G т) состоянии в зависимости от температуры: Ткр - температура начала кристаллизации; Тпл - температура, при которой жидкая и твердая фазы существуют одновременно; ∆T - степень переохлаждения; б - кривые охлаждения металлов при кристаллизации: ∆T1, ∆T2, ∆T3 - степень переохлаждения при скорости охлаждения v1, v2, v3 соответственно.

Чем «чище» жидкий металл, тем выше температура переохлаждения. Процесс кристаллизации начинается с образования кристаллических зародышей (центров кристаллизации) и продолжается в процессе роста их числа и размеров. С повышением степени переохлаждения увеличиваются число зародышей и скорость кристаллизации. Но при дальнейшем повышении степени переохлаждения скорость роста зародышей и скорость кристаллизации уменьшаются.

Рост кристаллов заключается в присоединении к зародышам все новых атомов из жидкой фазы (рис. 2 а). Центры кристаллизации - зародыши (черные квадраты) - самопроизвольно возникают при переохлаждении металла. Очень маленькие зародыши неустойчивы, возникнув, они растворяются. Чем больше степень переохлаждения, тем устойчивее зародыши, тем меньше их критический размер. Далее зародыши увеличиваются в размере, одновременно появляются новые зародыши.

Пока число зародышей невелико, кристаллы растут свободно и сохраняют правильную геометрическую форму. В местах соприкосновения отдельных кристаллов рост их отдельных граней прекращается, развиваются грани в тех местах, где есть свободная жидкость. В результате кристаллы не имеют правильной геометрической формы. Такие кристаллы называются кристаллитами. Чем больше центров кристаллизации, тем больше образуется кристаллов в данном объеме, тем мельче окончательный размер кристаллов. Однако уменьшение скорости зарождения числа зародышей при критических температурах ограничивает возможность регулирования их размера повышением скорости охлаждения.

С целью регулирования размеров зерен часто применяют искусственное

referat.co

2. Процесс кристаллизации расплавов металлов

2.1 Кристаллизация металлов и сплавов

Кристаллизация — переход металла (сплава) из жидкого состояния в твердое — происходит в условиях, когда расплав переходит к термодинамически более устойчивому состоянию с меньшей свободной энергией (свободная энергия кристалла меньше свободной энергии жидкой фазы).

Влияние температуры на свободную энергию жидкой (Gж) и твердой фазы (Gт) показано на рис. 1а.

Термические кривые, характеризующие процесс кристаллизации чистых металлов при охлаждении с разной скоростью, приведены на рис. 1 б (v— скорость охлаждения, v1 < v2 < v3).

Рисунок 1. Охлаждение расплава и начало кристаллизации

а — изменение свободной энергии (G) в жидком (G Ж) и твердом (G т) состоянии в зависимости от температуры: Ткр — температура начала кристаллизации; Тпл — температура, при которой жидкая и твердая фазы существуют одновременно; ∆T — степень переохлаждения; б — кривые охлаждения металлов при кристаллизации: ∆T1, ∆T2, ∆T3 — степень переохлаждения при скорости охлаждения v1, v2, v3 соответственно.

Рост кристаллов заключается в присоединении к зародышам все новых атомов из жидкой фазы (рис. 2 а). Центры кристаллизации — зародыши (черные квадраты) — самопроизвольно возникают при переохлаждении металла. Очень маленькие зародыши неустойчивы, возникнув, они растворяются. Чем больше степень переохлаждения, тем устойчивее зародыши, тем меньше их критический размер. Далее зародыши увеличиваются в размере, одновременно появляются новые зародыши.

С целью регулирования размеров зерен часто применяют искусственное введение в расплав веществ, создающих центры кристаллизации (модифицирование). В технических металлах в качестве центров кристаллизации часто выступают инородные включения (например, шлаковые включения, частички футеровки печи, оксиды металлов).

а — схема роста кристаллов; б — структура дендрита; в — схема образования дендрита; ■ — зародыши; 1, 2, 3 — оси кристаллизации.

В большинстве случаев кристаллизация металлов происходит с большой скоростью (кристаллизация при заливке металла в изложницу, кристаллизация расплава при литье в металлические формы). При ускоренном охлаждении металла кристаллы растут неравномерно. Рост зародышей по одной из осей (в направлении наибольшего градиента температур) значительно опережает рост по другим осям, происходит так называемая дендритная кристаллизация.

Д.К.Чернов, описывая рост дендрита (рис. 2 б), ввел понятие «порядок осей кристаллизации». После образования зародыша его развитие (рис. 2 в) идет в направлении наибольшего градиента температур (ось первого порядка). Увеличение размеров осей первого порядка происходит не только в длину, одновременно увеличивается и ее ширина. В дальнейшем от осей первою порядка под определенными углами начинают расти новые оси, называемые осями второго и третьего порядка.

По мере роста осей более высокого порядка (четвертого, пятого и т.д.) постепенно заполняются все промежутки, ранее занятые жидким металлом, — дендритная кристаллизация замедляется.

Дендритная кристаллизация отчетливо выражена в условиях недостатка жидкого металла для заполнения пространства (поверхностные слои, усадочная раковина) и при наличии примесей и посторонних атомов в расплаве (кристаллизация реальных сплавов).

studfiles.net

реферат - Кристаллическая структура металлов

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»ФАКУЛЬТЕТ МЕХАНИЗАЦИИКАФЕДРА «РЕМОНТ МАШИН И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ»

РЕФЕРАТ по материаловедению на тему «Кристаллическая структура металлов»

Выполнила: студентка МХ-1521 Никитина В. Ю.Принял: доцент Карпенко В. Д.

Краснодар, 2015

Содержание

Введение

1. Кристаллическое строение металлов

2. Процесс кристаллизации расплавов металлов

2.1 Кристаллизация металлов и сплавов

2.2 Строение слитка

Заключение

Список использованной литературы

Введение

1. Кристаллическое строение металлов

- объемно-центрированный куб — ОЦК — имеют металлы РЬ, К, Na, Li, Ti, W, Та, Cr и др.;

- гранецентрированный куб — ГЦК — имеют металлы Sr, Tn, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Pt и др.;

- гексагональная плотно упакованная решетка — ГПУ — имеют металлы Mg, Cd, Os, Zn и др.

2. Процесс кристаллизации расплавов металлов

2.1 Кристаллизация металлов и сплавов

Влияние температуры на свободную энергию жидкой (Gж) и твердой фазы (Gт) показано на рис. 1а.

Термические кривые, характеризующие процесс кристаллизации чистых металлов при охлаждении с разной скоростью, приведены на рис. 1 б (v— скорость охлаждения, v12 3).

Рисунок 1. Охлаждение расплава и начало кристаллизации

2.2 Строение слитка

Кристаллы, образующиеся в процессе затвердевания металла, могут иметь различную форму в зависимости от скорости охлаждения и количества примесей. Обычно в направлении отвода тепла кристалл растет быстрее, чем в другом направлении, в результате образуется древовидный кристалл — дендрит. Схематическое изображение дендрита впервые было сделано Д.К. Черновым. Дендритное строение кристаллов является типичным для литого металла. Кристаллизация жидкого металла начинается у стенок изложницы. При соприкосновении жидкого металла со стенками изложницы он подвергается интенсивному охлаждению, приводящему к образованию огромного числа центров кристаллизации.

Из-за большой скорости охлаждения образовавшиеся кристаллы не успевают вырасти до значительных размеров, и поэтому первая зона слитка имеет мелкозернистое строение. После образования первой зоны условия кристаллизации изменяются. Снижение температур охлаждаемого металла и повышение температуры стенок изложницы приводят к уменьшению скорости охлаждения. Для этой стадии кристаллизации характерен направленный отвод теплоты перпендикулярно стенкам изложницы. В силу создавшихся условий кристаллизации кристаллы, образующиеся в этот момент, растут перпендикулярно стенкам изложницы вовнутрь жидкого металла. Это приводит к образованию второй зоны слитка — зоны столбчатых кристаллов. В процессе дальнейшей кристаллизации направленность отвода тепла теряется, скорость охлаждения уменьшается, и поэтому в центральной части слитка образуются крупные равноосные кристаллы. По мере кристаллизации металла примеси все более оттесняются в жидкую часть. Это предопределяет неравномерное распределение элементов как в микрообъеме, так и в различных зонах слитка. Неравномерное распределение химических элементов в объеме металлов называется ликвацией. Жидкий металл имеет больший удельный объем, чем твердый, поэтому в верхней части слитка, которая застывает в последнюю очередь, образуется усадочная раковина — пустота. Усадочная раковина обычно окружена наиболее загрязненной частью металла. Верхнюю часть слитка отрезают и переплавляют, а остальной металл подвергают обработке давлением.

Заключение

Переход металла из жидкого состояния в твердое называется кристаллизацией. Она протекает вследствие перехода системы из термодинамически неустойчивого состояния в термодинамически устойчивое состояние, т.е. из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией.

Во время плавления происходит поглощение теплоты, которая расходуется на повышение энергии атомов, т.е. на «разрушение» кристаллической решетки металла. Эта теплота называется скрытой.

В процессе кристаллизации происходит обратное выделение энергии в виде скрытой теплоты кристаллизации. Она компенсирует тепло, которое отводится в окружающую среду, и задерживает падение температуры.

С увеличением скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает, и процесс кристаллизации протекает при температурах, значительно более низких, чем равновесная температура кристаллизации.

Степень переохлаждения зависит от природы и чистоты металла. Чем чище металл, тем при большей степени переохлаждения возникают зародыши твердых кристаллов.

Список использованной литературы

Адаскин А.М., Зуев В.М. Материаловедение (металлообработка). – М., 2003.
Черепахин А.А. Материаловедение. – М., 2004.
Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. – М., 2000.
Металловедение / Под ред. М.Н. Самоходского. – М., 2000.

historich.ru

Смотрите также

..:::Новинки:::..

Windows Commander 5.11 Свежая версия.

Новая версия
IrfanView 3.75 (рус)

Обновление текстового редактора TextEd, уже 1.75a

System mechanic 3.7f
Новая версия

Обновление плагинов для WC, смотрим :-)

Весь Winamp
Посетите новый сайт.

WinRaR 3.00
Релиз уже здесь

PowerDesk 4.0 free
Просто - напросто сильный upgrade проводника.

..:::Счетчики:::..