Что такое степень переохлаждения металла разность
то такое переохлаждение, и как оно влияет на структуру кристаллизующегося металла
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
по дисциплине: Материаловедение
студент группы 09.03.01
Ширкунов Эльдар Сергеевич
учебный шифр: 1014034
Петрова Наталия Валериевна
ОГЛАВЛЕНИЕ
1. Что такое переохлаждение, и как оно влияет на структуру кристаллизующегося металла………..……………………………………………………………….….……..….3
2. Вычертите диаграмму состояния системы олово-цинк. Опишите взаимодействие компонентов в жидком и твердом состояниях, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы состояние и объясните характер изменения свойств сплавов в данной системе с помощью правил Купнакова ……. …. ….……….4
3. Какой термообработкой можно восстановить пластические свойства холоднодеформировнной стали 10………………………………….………………….…..5
4. Вычертите диаграмму состояния железо-карбид железа ……..………….……..…..6
5. Покажите графически режим отжига для получения перлитного ковкого чугуна. Опишите структурные превращения, происходящие в процессе отжига, и механические свойства чугуна после термической обработки………………………..….7
Список использованной литературы………………………………………………..…. …9
то такое переохлаждение, и как оно влияет на структуру кристаллизующегося металла
Охлаждение жидкого металла ниже теоретической температуры кристаллизации носит название явления переохлаждения. Разность между теоретической и фактической температурами кристаллизации называется степенью переохлаждения.
Термические кривые, характеризующие процесс кристаллизации чистых металлов при охлаждении с разной скоростью ϑ, показаны на рисунке 1.
Рисунок 1 – Кривые охлаждения металла при кристаллизации (ϑ1
При небольшой скорости переохлаждения ΔТ (малой скорости охлаждения) число зародышей мало. В этих условиях будет получено крупное зерно. С увеличением степени переохлаждения скорость образования зародышей возрастает, количество их увеличивается и размер зерна в затвердевшем металле уменьшается.
Размер зерна металла сильно влияет на его механические свойства. Эти свойства, особенно вязкость и пластичность, выше, если металл имеет мелкое зерно.
2. Вычертите диаграмму состояния системы олово-цинк. Опишите взаимодействие компонентов в жидком и твердом состояниях, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы состояние и объясните характер изменения свойств сплавов в данной системе с помощью правил Купнакова
Рисунок 2 – Диаграмма состояния системы олово-цинк
Согласно этой диаграммы линия АВС – линия ликвидус, а линия ДВЕ – солидус. Кроме того, линия ДВЕ соответствует температуре, при которой в процессе охлаждения сплавов в них протекает эвтектическая реакция с образованием эвтектики. При содержании
8% Zn и 92% Sn образуется эвтектический сплав. Температура его образования при кристаллизации соответствует 199 0 С.
Система эвтектического типа без образования промежуточных фаз. Эвтектика образуется при температуре 198,5 °С и концентрации 85,1 % (ат.)Sn.
В качестве припоев применяют сплавы с содержанием олова 90,70,60 и 40% марок ПОЦ – 90, ПОЦ – 70, ПОЦ – 60 и ПОЦ – 40.
Эти сплавы имеют более высокую прочность, нежели оловянно свинцовистые сплавы.
При образовании смесей олово-цинк свойства сплава изменяются по линейному закону, следовательно, значения свойств сплава находятся в интервале между свойствами чистых компонентов.
Что такое степень переохлаждения?
Из каких элементарных процессов состоит процесс кристаллизации?
Как влияет скорость охлаждения при кристаллизации на формирование структуры металла?
Как можно получить мелкозернистый металл при кристаллизации?
В какой зоне слитка будут наиболее хорошие механические свойства
Какие условия получения крупнозернистого металла при кристаллизации
Что такое деформация?
1. внешнее и внутреннее воздействие на тело;
2. изменение атомов в кристаллической решетке;
3. изменения расстояния между атомами в кристалле
Что такое упругая деформация?
Что такое пластическая деформация?
Что такое предел прочности?
Что такое условный предел текучести?
За счет каких сил исчезает упругая деформация?
Как осуществляется пластическая деформация кристаллических материалов?
В чем принципиальная разница между хрупким и вязким разрушением?
Что такое наклеп?
Почему в старинном цирковом номере, согнутую артистом подкову прелагали разогнуть зрителям, а не наоборот?
Каким образом можно остановить развитие имеющейся трещины?
Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).
Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.
Материаловедение
Кристаллизация металлов
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).
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.
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):
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).
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 см 3 /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.
ГОМОГЕННАЯ (САМОПРОИЗВОЛЬНАЯ) КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ
Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией.
Кристаллизация протекает в условиях, когда система переходит к термодинамически более устойчивому состоянию с меньшей энергией Гиббса (свободной энергией) G, т. е. когда энергия Гиббса кристалла меньше, чем энергия Гиббса жидкой фазы.
Если превращение происходит с небольшим изменением объема, то G = Е — TS, где Е — полная энергия (внутренняя энергия фазы), Т — абсолютная температура, S — энтропия.
Изменение энергии Гиббса металла в жидком и твердом состоянии в зависимости от температуры показано на рис. Выше температуры Т п более устойчив жидкий металл, имеющий меньший запас свободной энергии, а ниже этой температуры устойчив твердый металл. При температуре Тп значения энергий Гиббса металла в жидком и твердом состояниях равны. Температура Тп соответствует равновесной температуре кристаллизации (или плавления) данного вещества, при которой обе фазы (жидкая и твердая) могут сосуществовать одновременно. Процесс кристаллизации при этой температуре еще не начинается. Процесс кристаллизации развивается, если созданы условия, когда возникает разность энергий Гиббса ΔG, образующаяся вследствие меньшей энергии Гиббса твердого металла по сравнению с жидким.
Следовательно, процесс кристаллизации может протекать только при переохлаждении металла ниже равновесной температуры Тп. Разность между температурами Тп и Тк, при которых может протекать процесс кристаллизации, носит название степени переохлаждения:
Термические кривые, характеризующие процесс кристаллизации чистых металлов при охлаждении с разной скоростью v, показаны на рис. 19. При очень медленном охлаждении степень переохлаждения невелика и процесс кристаллизации протекает при температуре, близкой к равновесной Тп (рис. 19, кривая о,). На термической кривой при температуре кристаллизации отмечается горизонтальная площадка (остановка в падении температуры), образование которой объясняется выделением скрытой теплоты кристаллизации, несмотря на отвод теплоты при охлаждении.
С увеличением скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает и процесс кристаллизации протекает при температурах, лежащих значительно ниже равновесной температуры кристаллизации. Чем чище жидкий металл, тем более он склонен к переохлаждению. При затвердевании очень чистых металлов степень переохлаждения может быть очень велика. Однако чаще степень переохлаждения не превышает 10—30 °С.
Процесс кристаллизации, как впервые установил Д. К. Чернов, начинается с образования кристаллических зародышей (центров кристаллизации) и продолжается в процессе роста их числа и размеров.
Рис. 20. Схема кристаллизации металла
При переохлаждении сплава ниже температуры Тп во многих участках жидкого сплава образуются устойчивые, способные к росту кристаллические зародыши
Пока образовавшиеся кристаллы растут свободно, они имеют более или менее правильную геометрическую форму. Однако при столкновении растущих кристаллов их правильная форма нарушается, так как в этих участках рост граней прекращается. Рост продолжается только в тех направлениях, где есть свободный доступ «питающей» жидкости. В результате растущие кристаллы, имевшие сначала геометрически правильную форму, после затвердевания получают неправильную внешнюю форму и поэтому называются кристаллитами, или зернами.
Явления, протекающие в процессе кристаллизации, сложны и многообразны. Особенно трудно представить начальные стадии процесса, когда в жидкости образуется первый кристаллик, или центр кристаллизации.
В чистом от примесей жидком металле наиболее крупные гетерофазные флуктуации превращаются в зародыши (центры кристаллизации).
Рост зародышей возможен только при условии, если они достигли определенной величины, начиная с которой их рост ведет к уменьшению энергии Гиббса. В процессе кристаллизации энергия Гиббса системы, с одной стороны, уменьшается на VΔGV вследствие перехода некоторого объема жидкого металла в твердый, а с другой стороны, возрастает в результате образования поверхности раздела с избыточной поверхностной энергией, равной Sσ. Общее изменение энергии Гиббса можно определить из следующего выражения:
Чем меньше величина зародыша, тем выше отношение его поверхности к объему, а следовательно, тем большая часть общей энергии приходится на поверхностную энергию. Изменение энергии Гиббса металла ΔGобщ при образовании кристаллических зародышей в зависимости от их размера R и степени переохлаждения показано на рис. 22, а.
При образовании зародыша размером меньше RK (рис. 22, б), #к,, rk,, rk,, RKt свободная энергия ристемы возрастает, так как приращение энергии Гиббса вследствие образования новой поверхности перекрывает ее уменьшение в результате образования зародышей твердого металла, т. е. объемной энергии Гиббса. Следовательно, зародыш размером меньше RK расти не может и растворится в жидком металле. Если возникает зародыш раз-
При увеличении его размера энергия Гиббса системы уменьшается.
Минимальный размер зародыша Rк, способного к росту при данных температурных условиях, называется критическим размером зародыша, а сам зародыш критическим, или равновесным.
При температуре, близкой к ТП, размер критического зародыша должен быть очень велик и вероятность его образования мала. С увеличением степени переохлаждения, величина ΔGV возрастает, а величина поверхностного натяжения на границе раздела фаз изменяется незначительно.
Следовательно, с увеличением степени переохлаждения (или с понижением температуры кристаллизации) размер критического зародыша уменьшается и будет меньше работа, необходимая для его образования. В связи с этим с увеличением степени переохлаждения, когда становятся способными к росту зародыши все меньшего размера, сильно возрастает число зародышей (центров) кристаллизации и скорость образования этих зародышей.
Рост зародышей происходит в результате перехода атомов из переохлажденной жидкости к кристаллам. Кристалл растет послойно, при этом каждый слой имеет одноатомную толщину.
Чем больше степень переохлаждения, тем меньше величина этого двумерного критического зародыша и тем легче он образуется.
В растущем кристалле всегда имеются дислокации. В месте выхода на поверхность винтовой дислокации имеется ступенька, к которой легко присоединяются атомы, поступающие из жидкости. Винтовые дислокации ведут к образованию на поверхности кристалла спиралей роста высотой от одного до нескольких тысяч атомов. Спиральный рост экспериментально обнаружен при изучении роста монокристаллов магния, кадмия, серебра и других металлов. В этом случае образование двумерного зародыша не требуется.
Число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов. При прочих равных условиях скорость процесса кристаллизации и строение металла после затвердения зависят от числа зародышей ЧЗ (центров кристаллизации), возникающих в единицу времени и в единице объема, т. е. от скероспгобразования зароды(мм
х ) и скорости роста (СР) зародышей или от скорости увеличения линейных размеров растущего кристалла в единицу времени (мм/с). Чем больше скорость образования зародышей и их роста, тем быстрее протекает процесс кристаллизации. При равновесной температуре кристаллизации Тп число зародышей и скорость роста равны нулю, и поэтому кристаллизация не происходит. При увеличении степени переохлаждения скорость образования зародышей и скорость их роста возрастают, при определенной степени переохлаждения достигают максимума, после чего снижаются. С увеличением степени переохлаждения скорость образования зародышей, а следовательно, и их число возрастают быстрее, чем скорость роста. Такой характер изменения Ч3 и СР в зависимости от степени переохлаждения объясняется следующим. С повышением степени переохлаждения разность энергий Гиббса жидкого и твердого металлов возрастает, что способствует повышению скорости кристаллизации, т. е. скорости образования зародышей и их роста. Однако для образования и роста зародышей требуется диффузионное перемещение атомов в жидком металле. В связи с этим при больших степенях переохлаждения (низких температурах) вследствие уменьшения скорости диффузии образование зародышей и их рост затруднены. Вследствие этого число зародышей и скорость их роста уменьшаются. При очень низких температурах (большой степени переохлаждения) диффузионная подвижность атомов столь мала, что большой- выигрыш объемной энергии Гиббса при кристаллизации оказывается недостаточным для образования кристаллических зародышей и их роста (Ч3 = О, СР = 0). В этом случае после затвердения должно быть достигнуто аморфное состояние.
Величина зерна. Чем больше скорость образования зародышей и меньше скорость роста их, тем меньше размер кристалла (зерна), выросшего из одного зародыша, и, следовательно, более мелкозернистой будет структура металла.
При небольшой степени переохлаждения (малой скорости охлаждения) число зародышей мало. В этих условиях будет получено крупное зерно. С увеличением степени переохлаждения скорость образования зародышей возрастает, количество их увеличивается и размер зерна в затвердевшем металле уменьшается.
Размер зерна металла сильно влияет на его механические свойства. Эти свойства, особенно вязкость и пластичность, выше, если металл имеет мелкое зерно. Величина зерна зависит не только от степени переохлаждения. На размер зерна оказывают большое влияние температура нагрева и разливки жидкого металла, его химический состав и особенно присутствие в нем посторонних примесей.
Что такое степень переохлаждения металла разность
Переохлаждением называется явление образования метастабильного состояния жидкости, охлажденной ниже температуры плавления соответствующей твердой фазы. Температура затвердевания может совпадать с температурой плавления только при медленном охлаждении в присутствии твердой фазы.
Переохлажденная жидкость может существовать неограниченное время без всяких изменений, если в ней не появляется «зародыш» твердой фазы. Необходимым условием зарождения кристалла и его роста из расплава является переохлаждение расплава. Однако следует отличать переохлаждение жидкости, необходимое для того, чтобы кристалл рос, от переохлаждения, необходимого для зарождения кристаллического центра. Если температуру кристаллизации мы определяем как температуру, при которой начинается рост кристалла, находящегося в охлаждаемой жидкости, то температура, при которой кристаллизация, начавшись, будет продолжаться, практически не будет отличаться от температуры кристаллизации, важно лишь то, чтобы эта температура имела тенденцию к понижению, так как без этого условия, т. е. точно при температуре кристаллизации, кристалл будет находиться в равновесии с расплавом. Иначе обстоит дело с началом кристаллизации, т. е. в отсутствии готового зародыша или затравки.
Если охлаждать расплав кристаллического вещества и откладывать по оси абсцисс время, а по оси ординат – температуру, то обычно при температуре кристаллизации наблюдается остановка в падении температуры, т. е. температура некоторое время остается постоянной, до тех пор, пока весь расплав не закристаллизуется (рис. 1.2.). Это происходит от выделения теплоты во время кристаллизации. Когда все вещество закристаллизуется, то температура снова начинает падать. Такой ход температурной кривой будет наблюдаться в том случае, когда в расплаве при температуре затвердевания появляются кристаллические зерна, которые растут при отнятии тепла от жидкой фазы, или в расплаве уже имеется готовая затравка.
Рис. 1.2. Ход температуры при охлаждении расплава без переохлаждения
Однако для химически и физически чистых и однородных веществ ход температурной кривой отступает от нормального, а именно – при охлаждении расплав остается еще в жидком состоянии при температурах, лежащих много ниже температуры кристаллизации. Получается кривая (рис. 1.3), в которой участок ab относится к жидкому состоянию. Если в переохлажденной жидкости при температуре, соответствующей точке b, появляется кристаллик, самопроизвольно зародившийся в ней или внесенный извне, то немедленно начинается процесс кристаллизации, причем при кристаллизации выделяется теплота и температура переохлажденной жидкости повышается (точка с). Разность температур между точками с и b определяет степень переохлаждения расплава. При небольших переохлаждениях расплава кристаллы растут в виде правильных полиэдров (многогранников).
Рис. 1.3. Ход температуры при охлаждении расплава с переохлаждением
С современной точки зрения жидкость при температуре затвердевания ближе подходит к структуре кристалла, чем к строению пара. Когда жидкость переохлаждена, то она в значительной мере подготовлена к переходу в твердое состояние. В ней находится значительное число скоплений с ориентированным расположением молекул наподобие кристаллической решетки. Однако эти скопления находятся в неустойчивом состоянии.
Многочисленные исследования показывают, что на граничных твердых поверхностях молекулы жидкости адсорбируются и образуют тонкие поверхностные слои с ориентированными определенным образом молекулами жидкости. Эти пограничные слои являются не только наиболее благоприятными местами для зарождения центров кристаллизации, но являются и единственно возможными. Следовательно, отсюда вытекает, что для возникновения зародышей необходимым условием является наличие твердой фазы и наличие анизотропного слоя молекул жидкости на этой границе.
Если твердая фаза принадлежит тому же веществу, как и расплав, то кристаллизация идет по всей поверхности раздела. Если твердая фаза принадлежит к другому веществу, то кристаллизация происходит только в отдельных точках. Если внутри переохлажденной жидкости нет твердой кристаллической фазы в виде стенок или взвешенных частиц и нет анизотропных слоев, напоминающих по своему строению кристаллы, то жидкость вообще может потерять способность к переохлаждению.
Образование центров кристаллизации облегчается посторонними твердыми частичками взвешенными в растворе или в расплаве. Опыты показывают, что затравками, являющимися центрами кристаллизации, могут служить 1) частицы кристаллизующегося вещества; 2) частицы других веществ и, изоморфных с кристаллизующимся веществом и образующих с ним твердые растворы; 3) частицы веществ, дающих с кристаллизующимся веществом закономерные сростки; 4) частицы веществ, которые на своей поверхности адсорбируют молекулы кристаллизующегося вещества.
Так как поверхности твердых тел никогда не бывают однородны, то отдельные участки обладают различной активностью по отношению к образованию новой фазы. Эта активность определяется как физико-химической природой участка, так и геометрической его формой и величиной. Следует различать два случая активирующего действия поверхности кристалла. Поверхности минералов и других кристаллических веществ могут вызывать образование центров кристаллизации ориентирующим действием собственной кристаллической решетки. В этом случае вновь зародившийся кристалл всегда ориентирован определенным образом относительно решетки того кристалла, на котором он возник. Существует ряд исследований, доказывающих, что в этом случае должно существовать определенное соотношение между формой и величиной элементарных ячеек кристаллов.
Нерастворимые примеси играют весьма большую роль при кристаллизации из расплава и из раствора. Они являются центрами, вокруг которых растут кристаллы. От количества этих посторонних примесей зависит структура слитка, получающегося при затвердевании расплава. Чем больше примесей, тем больше может быть центров кристаллизации, тем мельче структура слитка, т. е. тем мельче зерна или кристаллиты. Механические свойства чистых металлов и сплавов зависят от их структуры. Чем мельче структура, тем выше механические качества металла.
Не всякие нерастворимые примеси являются центрами кристаллизации. Те примеси, которые имеют такую же кристаллическую решетку, какую имеет расплавленное или растворенное вещество, служат надежными центрами кристаллизации. Изоморфные примеси являются, прежде всего, зародышами. Однако кристаллизация около твердой стенки происходит легче даже в том случае, если она не изоморфна с расплавленным веществом. Поэтому можно ожидать, что большинство примесей оказывает влияние на зарождение кристаллов.