Кристаллизация металлов

Цель работы - научиться определять температуру нагрева и условия охлаждения жидкого металла для получения в отливке зерен заданной формы и размеров.

Задачи:

-закрепить знания об условиях протекания самопроизвольной и несамопроизвольной кристаллизации;

- изучить факторы, определяющие форму и размеры зерен при кристаллизации.

Материально-техническое оснащение:

- коллекция макрошлифов.

1. Теоретическая часть

Переход металла из жидкого состояния в твердое называется кристаллизацией. При всяком произвольно протекающем фазовом превращении уменьшается свободная энергия системы. Кривые изменения свободных энергий твердой и жидкой фаз пересекаются при равновесной, или теоретической температуре кристаллизации Т_р (рисунок 1.1). Выше Т_р свободная энергия жидкой фазы меньше, чем твердой, и, следовательно, термодинамически устойчива жидкая фаза. Ниже Т_р, наоборот, свободная энергия твердой фазы меньше, чем жидкой, и термодинамически устойчивой является твердая фаза.

В точке пересечения кривых обе фазы находятся в равновесии. Для того чтобы вызвать кристаллизацию необходимо, чтобы этот процесс сопровождался уменьшением свободной энергии системы. Это возможно тогда, когда жидкость будет охлаждена ниже температуры Т_р. Температура, при которой практически происходит кристаллизация, называется фактической температурой кристаллизации. Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации называется переохлаждением. Разность между равновесной и фактической температурами кристаллизации называется степенью переохлаждения. Чем больше скорость охлаждения, тем ниже температура начала кристаллизации, т. е. тем больше степень переохлаждения металла.

Процесс кристаллизации осуществляется путем образования в жидкости центров кристаллизации и их роста. Поэтому основными параметрами процесса являются число возникающих зародышей и скорость их роста. Величина этих параметров предопределяет не только скорость процесса кристаллизации, но и размер образующегося зерна. Если в единице объема за единицу времени возникает мало зародышевых центров (при небольшой степени переохлаждения), а скорость роста зародышей велика, то закристаллизовавшееся вещество получается крупнозернистым.

Образование зародышей при кристаллизации может происходить как самопроизвольным, так и не самопроизвольным путем.

При самопроизвольной кристаллизации по мере понижения температуры жидкости ниже Т_р микрообъемы, имеющие расположение атомов, подобное размещению атомов в твердом металле, приобретают повышенную устойчивость и могут превратиться в центры кристаллизации (зародыши).

В процессе кристаллизации возникают зародыши разной величины. Минимальный размер зародыша, способного к росту при данных температурных условиях, называется критическим размером зародыша. С увеличением степени переохлаждения размер критического зародыша уменьшается, а, следовательно, число зародышей способных к росту, возрастает. Соответственно, величина образующихся зерен уменьшается.

Самопроизвольное зарождение кристаллов в жидком металле очень затруднено. Чаще источником образования зародышей являются твердые частицы, которые всегда присутствуют в расплаве. Если примеси имеют кристаллическую решетку, близкую по строению к затвердевающему металлу (изоморфные примеси), то они играют роль готовых центров кристаллизации. Поверхность частиц примесей адсорбируют атомы из расплава. Чем больше примесей, тем больше центров кристаллизации, тем мельче получается зерно. Такое образование зародышей называется гетерогенным, а кристаллизация – несамопроизвольной.

Количество не самопроизвольно возникших зародышевых центров зависит не только от количества и характера примесей, но и от температуры жидкого металла. Чем выше температура жидкого металла, тем больше растворяется посторонних твердых частиц, следовательно, меньше образуется зародышевых центров, и зерно получается более крупным. Интенсивному развитию несамопроизвольной кристаллизации способствует модифицирование металлов, которое заключается в том, что в жидкую фазу искусственно вводится множество дисперсных частиц. Стенки формы (изложницы), в которую заливают металл, играют ту же роль, что и включения твердых частиц.

Каким бы путем ни возникали зародыши в жидком металле, форма образующихся зерен определяется условиями их роста. Различают столбчатую (вытянутую) форму зерен и глобулярную (равноосную).

Столбчатые зерна возникают при наличии градиента температур по сечению застывающего металла в условиях повышения скоростей охлаждения. Этому способствует перегрев металла и отливка в холодную толстостенную изложницу.

Глобулярные кристаллы возникают в условиях равномерного охлаждения застывающего металла по объему, когда градиент температур мал, что наблюдается при небольших степенях нагрева жидкого металла, медленном охлаждении по всему объему (в песчаной форме или нагретой изложнице) и при наличии несамопроизвольной кристаллизации.

2. Порядок выполнения работы.

1. Изучить образцы технически чистого алюминия со следующей структурой:

1.1. Крупнозернистая глобулярная;

1.2. Мелкозернистая глобулярная;

1.3. Столбчатая.

2. Сделать зарисовки макроструктур всех образцов.

3. Определить температуры нагрева и условия охлаждения для получения заданных структур.

4. Сделать краткие выводы.

3. Оформление отчета.

Отчет должен содержать:

1. Наименование работы.

2. Цель работы.

3. Зарисовки микроструктур всех образцов.

4. Основные выводы, содержащие характеристику факторов, определяющих форму и размеры зерен при кристаллизации металлов.

4. Контрольные вопросы

1. Что представляет собой кристаллизация?

2. Как называется температура, при которой практически происходит кристаллизация?

3. Что называется степенью переохлаждения?

4. От каких факторов зависит величина и форма зерен, возникающих при кристаллизации металлов?

Лабораторная работа №2