Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Документ'
Формирование дискурсивной и стратегической компетенций при обучении монологическому высказыванию в проектной деятельности (на материале ведения интерн...полностью>>
'Документ'
ЗАО «Битум ТНК», именуемое в дальнейшем «Поставщик», в лице Директора Санникова В.Н., действующего на основании Устава, с одной стороны и , именуемое ...полностью>>
'Документ'
С 05 августа 2016 г. на территории Псковской области распространяется газета «Единомышленник» (№ 5 (29) от 05 августа 2016 года). Учредителем и издате...полностью>>
'Документ'
Семьям, в которых родились вторые и последующие дети, в регионе установлена региональная денежная выплата: при рождении второго ребенка семья получает...полностью>>

Главная > Документ

Сохрани ссылку в одной из сетей:
Информация о документе
Дата добавления:
Размер:
Доступные форматы для скачивания:

Физическая сущность и механизм процесса кристаллизации

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. 1.

Рис.1. 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 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. 2.

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

Рис.2. Зависимость энергии системы от размера зародыша твердой фазы

Механизм кристаллизации представлен на рис.3.

Рис.3. 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. 4).

Рис. 4. 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. 5).

Рис. 5. 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.

Рекристализационный отжиг

Рекристализационный отжиг (Рекристаллизация) – отжиг I-го рода, процесс зарождения и роста новых недеформированных зерен при нагреве наклепанного металла до определенной температуры.

Нагрев металла до температур рекристаллизации сопровождается резким изменением микроструктуры и свойств. Нагрев приводит к резкому снижению прочности при одновременном возрастании пластичности. Также снижается электросопротивление и повышается теплопроводность.

1 стадия – первичная рекристаллизация (обработки) заключается в образовании центров кристаллизации и росте новых равновесных зерен с неискаженной кристаллической решеткой. Новые зерна возникают у границ старых зерен и блоков, где решетка была наиболее искажена. Количество новых зерен постепенно увеличивается и в структуре не остается старых деформированных зерен.

Движущей силой первичной рекристаллизации является энергия, аккумулированная в наклепанном металле. Система стремится перейти в устойчивое состояние с неискаженной кристаллической решеткой.

2 стадия – собирательная рекристаллизация заключается в росте образовавшихся новых зерен.

Движущей силой является поверхностная энергия зерен. При мелких зернах поверхность раздела большая, поэтому имеется большой запас поверхностной энергии. При укрупнении зерен общая протяженность границ уменьшается, и система переходит в более равновесное состояние.

Температура начала рекристаллизации связана с температурой плавления

,

для металлов

для твердых растворов

для металлов высокой чистоты

На свойства металла большое влияние оказывает размер зерен, получившихся при рекристаллизации. В результате образования крупных зерен при нагреве до температуры t1 начинает понижаться прочность и, особенно значительно, пластичность металла.

Основными факторами, определяющими величину зерен металла при рекристаллизации, являются температура, продолжительность выдержки при нагреве и степень предварительной деформации (рис. 6).

Рис. 6. Влияние предварительной степени деформации металла на величину зерна после рекристаллизации

 

С повышением температуры происходит укрупнение зерен, с увеличением времени выдержки зерна также укрупняются. Наиболее крупные зерна образуются после незначительной предварительной деформации 3…10 %. Такую деформацию называют критической. И такая деформация нежелательна перед проведением рекристаллизационного отжига.

Практически рекристаллизационный отжиг проводят для малоуглеродистых сталей при температуре 600…700oС, для латуней и бронз – 560…700oС, для алюминиевых сплавов – 350…450oС, для титановых сплавов – 550…750oС.

Превращения в железоуглеродистых сплавах

Диаграмма состояния Fe-Fe3C (рис. 7) показывает фазовый состав и превращения в сплавах с концентрацией от чистого железа до цементита.
Превращения в железоуглеродистых сплавах происходит как при кристаллизации (затвердевании) жидкой фазы (Ж), так и в твердом состоянии.

Рис. 7. Диаграмма состояния Fe – Fe3C (в упрощенном и полном виде).

Первичная кристаллизация идет в интервале температур, ограни-ченных линиями ликвидус (ACD) и солидус (AECF).

Вторичная кристаллизация происходит за счет превращения железа одной аллотропической модификации в другую и за счет изменения растворимости углерода в аустените и феррите, которая уменьшается с понижением температуры. Избыток углерода выделяется из твердых растворов в виде цементита. В сплавах системы Fe-Fe3C происходят следующие изотермические превращения:

Эвтектическое превращение на линии ECF (1147 °C)

ЖС> (АЕF);

Эвтектоидное превращение на линии PSK (727 °C)

AS > (ФР + ЦК) .

Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом (Л), а эвтектоидная смесь феррита и цементита – перлитом (П). Ледебурит содержит 4,3 % углерода. При охлаждении ледебурита ниже линий PSK входящий в него аустенит превращается в перлит и при нормальной температуре ледебурит представляет собой смесь перлита и цементита и называется ледебуритом превращенным (Л пр). Цементит в этой структурной составляющей образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита объясняет его большую твердость (HB 700) и хрупкость.

Перлит содержит 0,8 % углерода. В зависимости от формы частичек цементит бывает пластинчатый и зернистый. Является прочной структурной составляющей с твердостью (HB210).

Линии диаграммы состояния Fе – Fе3C

Линии диаграммы представляют собой совокупность критических точек сплавов с различным составом, характеризующих превращения в этих сплавах при соответствующих температурах.

Рассмотрим значение линий диаграммы при медленном охлаждении.

ACD – линия ликвидус. Выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии.
AECF – линия солидус. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии.
АС – из жидкого раствора выпадают кристаллы аустенита.
CD – линия выделения первичного цементита.
AE – заканчивается кристаллизация аустенита.
ECF – линия эвтектического превращения.
GS – определяет температуру начала выделения феррита из аустенита (910-727 °C).
GP – определяет температуру окончания выделения феррита из аустенита.
PSK – линия эвтектоидного превращения.
ES – линия выделения вторичного цементита.
PQ – линия выделения третичного цементита.

Области диаграммы состояния Fe – Fe3C

Линии диаграммы: делят все поле диаграммы на области равновесного существования фаз. Каждой области диаграммы соответствует определенное структурное состояние, сформированное в результате происходящих в сплавах превращений.

I – Жидкий раствор (Ж).
II –Жидкий раствор (Ж) и кристаллы аустенита (А).
III – Жидкий раствор (Ж) и кристаллы цементита первичного (ЦI).
IV – Кристаллы аустенита (А).
V – Кристаллы аустенита (А) и феррита (Ф).
VI – Кристаллы феррита (Ф).
VII – Кристаллы аустенита (А) и цементита вторичного (ЦII).
VIII – Кристаллы феррита (Ф) и цементита третичного (ЦIII).
IX – Кристаллы феррита (Ф) и перлита (П).
X – Кристаллы перлита (П) и цементита вторичного (ЦII).
XI – Кристаллы аустенита (А), ледебурита (Л) и цементита вторичного (ЦII).
XII – Кристаллы перлита (П), цементита вторичного (ЦII) и ледебурита превращенного (Л пр).
XIII –Кристаллы ледебурита и цементита первичного (ЦI).
XIV – Кристаллы цементита первичного (ЦI) перлита (П) и ледебурита превращенного (Л пр).

Сталь эвтектоидного состава – содержание углерода 0,8 % (рис.8, сплав Ш).

В этом случае при охлаждении аустенита имеется только одна критическая точка Аs, отвечающая температуре 727 С. При этой температуре аустенит находится в равновесии с ферритом и цементитом:

АsФp+ Ц

Эвтектоидный распад аустенита состава точки S (0,8 %С) на феррит состава точки Р (0,025 %С) и цементит происходит при некотором переохлаждении, т.е. ниже 727 С. Эвтектоидная смесь феррита с цементитом называется перлитом. Соотношение феррита и цементита в перлите составляет примерно 7,3 : 1.

Подсчет ведется по правилу рычага, несколько ниже эвтектоидной линии:

  

При комнатной температуре – состав феррит и перлит

Рис. 8. Левый нижний участок диаграммы состояния железо-цементит. Вторичная кристаллизация сплавов:
а) диаграмма, б), в), г), д), е) кривые охлаждения сплавов



Похожие документы:

  1. Методические указания и контрольные задания для студентов-заочников машиностроительных специальностей вузов москва "высшая школа" 1988

    Методические указания
    ... при нагреве и охлаждении. Вариант 4 1.Опишите физическую сущность и механизм процесса кристалли­зации. 2.Для чего проводится ... влияют модификаторы на процесс кристаллизации? Приведите примеры практического использования процесса модифицирования. 2. Как ...
  2. Программа дисциплины "Физическое материаловедение" для специальности 222900. 62 «Нанотехнологии и микросистемная техника» подготовки бакалавра Автор программы

    Программа дисциплины
    ... Дисциплина «Физическое материаловедение ... Кристаллизация Энергетические условия процесса кристаллизации. Механизм процесса кристаллизации. Самопроизвольная и несамопроизвлольная кристаллизация ... механизму и механизму образования и роста зародышей. Сущность ...
  3. Физическая химия

    Документ
    ... и фильтрация, конденсация, кристаллизация и вообще процесс образования новых фаз – ... ограничивающего эту поверхность. Физическая сущность поверхностного натяжения в этом ... необходимо использование представлений о механизме адсорбции и конкретных моделей ...
  4. Конспект лекций по теме: «Материаловедение» для специальности 120100 "Технология машиностроения" (Объем лекций 80 часа)

    Конспект лекций
    ... веществ нет горизонтального участка? Каков механизм процесса кристаллизации? При каком строении металлов ... ? 14.  В чем заключается физическая сущность процессов плавления и кристаллизации? 15.  Объясните сущность и цели модифицирования. 16.  ...
  5. 1. Сварка. Сущность, принципиальная схема, особенности, преимущества, недостатки, область практического применения, классификация видов сварки

    Документ
    ... разряд.  Сущность процесса – При сварке ... стадия процесса кристаллизации: образование центров кристаллизации, ... Специфическими особенностями физических свойств ... 3-кассета; 4-механизм подачи проволоки; 5-6-механизмы вертикального и поперечного ...

Другие похожие документы..