производство и поставка оборудования для механических испытаний, неразрушающего контроля, химического анализа и визуального контроля, диагностического оборудования, приборов визуального контроля, систем контроля доступа персонала, элементов систем умного производства. Испытательная лаборатория. Сервисный центр

Глава 2.4. Кристаллизация металлов

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

Проиллюстрируем этот процесс с помощью схемы, изображенной на рис. 2.10. Шарик из положения 1 стремится занять более устойчивое положение 2, так как его потенциальная энергия в положении 2 меньше, чем в положении 1.

Рис. 2.10. Стремление системы к уменьшению свободной энергии

Одной из характеристик энергетического состояния системы является свободная энергия. Свободной энергией называется часть полной энергии вещества, которая обратимо изменяется при изменении температуры, полиморфных превращениях, плавлении и т.д. С повышением температуры величина свободной энергии уменьшается. Изменение свободной энергии жидкого и твердого вещества показано на рис. 2.11. При равновесной температуре TS величины свободных энергий металла в жидком и твердом состоянии равны. При температуре выше TS более устойчив жидкий металл, имеющий меньший запас свободной энергии, а ниже этой температуры более устойчив твердый металл. Процесс кристаллизации будет развиваться лишь в том случае, если жидкий металл охладить ниже TS.

Рис. 2.11. Изменение свободной энергии (F) жидкого (Fж) и твердого (FТВ) металла в зависимости от температуры: ΔF = FЖ – FТВ

Температура, при которой практически начинается процесс кристаллизации, называется фактической температурой кристаллизации ТK. Разность между температурами Ts и Тк называется степенью переохлаждения:

ΔТ = ТS – Tk

Процесс перехода металла из жидкого состояния в твердое можно описать с помощью кривых охлаждения в координатах время % — температура Т.

На рис. 2.12 показаны кривые охлаждения, характеризующие кристаллизацию чистых металлов при охлаждении с разной скоростью (иь v2, v3). Кристаллизация происходит при постоянной температуре, поэтому на кривой охлаждения появляется горизонтальная площадка (остановка в падении температуры), образование которой объясняется выделением скрытой теплоты кристаллизации., 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 явление, а именно выделение энергии в виде скрытой теплоты кристаллизации, которая задерживает падение температуры.

Рис. 2.12. Кривые охлаждения чистого металла: ΔT1, Δ T2, Δ T3 — степени переохлаждения

При очень медленном охлаждении степень переохлаждения мала и кристаллизация происходит при температуре, близкой к равновесной. С увеличением скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает (кривые, соответствующие скоростям охлаждения и и3), и процесс кристаллизации протекает при температурах значительно более низких, чем равновесная температура кристаллизации.

Необходимая для кристаллизации степень переохлаждения зависит от природы и чистоты металла. Чем чище металл, тем большее переохлаждение требуется для возникновения зародышей твердых кристаллов.

Рис. 2.13. Схема процесса кристаллизации: а—е — этапы кристаллизации

Необходимая для кристаллизации степень переохлаждения зависит от природы и чистоты металла. Чем чище металл, тем большее переохлаждение требуется для возникновения зародышей твердых кристаллов.

Схематически процесс кристаллизации показан на рис. 2.13. В начале во многих участках жидкого сплава образуются центры кристаллизации (зародыши кристаллов). Пока их окружает жид-кость, кристаллы растут свободно и могут иметь правильную геометрическую форму. Однако при столкновении растущих кристаллов их правильная форма нарушается, так как на участках контактов (границах) их рост прекращается. Кристалл растет лишь в том направлении, где он соприкасается с жидкостью. В результате после окончательного затвердевания кристаллы имеют несимметричную (неправильную) форму. Их называют зернами или кристаллитами.

Скорость процесса кристаллизации определяется двумя величинами: скоростью зарождения центров кристаллизации и скоростью роста кристаллов.

Под скоростью зарождения центров кристаллизации понимают число зародышей, возникающих за единицу времени в единице объема. Под скоростью роста кристаллов понимают скорость увеличения линейных размеров кристалла за единицу времени.

Рис. 2.14. Зависимость скорости зарождения центров кристаллизации (ЧЦ) и скорости роста кристаллов (СК) от степени переохлаждения: Ts — равновесная температура

Число центров (ЧЦ) кристаллизации и скорость роста кристаллов(СК) зависят от степени переохлаждения. При равновесной температуре кристаллизации Ts число зародышей и скорость их роста равны нулю (рис. 2.14), поэтому затвердевания не происходит. При увеличении степени переохлаждения эти параметры возрастают и достигают максимума, но при разных степенях переохлаждения. При небольшой степени переохлаждения Д71, (см. рис. 2.14) число зародышей мало, а скорость велика. В этих условиях будет получено крупное зерно. С увеличением степени переохлаждения — при & Т2 и АТ2 — число зародышей возрастает в большей мере, чем скорость их роста, и размер зерна в металле уменьшается.

При весьма больших степенях переохлаждения Д ТА число центров кристаллизации и скорость роста равны нулю, так как при низких температурах диффузионная подвижность атомов очень низкая и кристаллизация не происходит. В результате после затвердевания получается аморфная структура без упорядоченного расположения атомов. В металлах это достигается лишь при очень высоких скоростях охлаждения (см. подразд. 8.9), тогда как в стеклах (см. подразд. 12.2.2) такое строение получается при обычных скоростях охлаждения.

Таким образом, скорость охлаждения определяет величину зерна: чем она выше, тем мельче зерно металла. Металл, имеющий мелкозернистое строение, обладает не только более высокой прочностью, но также и большей ударной вязкостью и пластичностью.

Охлаждение с высокой скоростью для получения мелкого зерна невозможно для отливок большой массы. В этом случае в жидкий металл вводят тугоплавкие частицы (оксиды и др.), которые являются искусственными центрами кристаллизации и называются модификаторами, а сам процесс — модифицированием. Модифицирование, практически без изменения состава металла, обеспечивает при кристаллизации получение мелкого зерна.

С 2011 года научно-производственное предприятие «УКРИНТЕХ» успешно работает и развивается в области контроля качества материалов и изделий.

Контакты

ООО НПП "Укринтех":
г. Харьков, ул.Ковтуна, д.50, корпус "А-5"

Для почты:
а/я 2304, Харьков-1, 61001, Украина

ООО НПП "Укринтех"
+38 (050) 499-09-89; +38 (067) 560-89-39
+38 (067) 575-45-10; +38 (057) 768-09-02

"ЦНИ Лаборатория"
+38 (098) 262-48-92

Компания

Производство и поставка
испытательного оборудования, оборудования для металлографии, приборов НК и др.

Сервисный центр
Ремонт, сервисное обслуживание и модернизация оборудования.

Центр независимых исследований
Аккредитованная испытательная лаборатория.