Механизм процесса кристаллизации
Процесс кристаллизации начинается с образования кристаллических зародышей (центров кристаллизации) и продолжается в процессе роста их числа и размеров (рис. 6.3).
Скорость кристаллизации и строение металла после затвердевания количественно определяются двумя показателями процесса:
1) числом центров (ч. ц.) кристаллизации – числом зародышей, возникших вединице объема, т. е. скоростью образования зародышей;
2) скоростью роста (с. р.) кристаллов ‑ скоростью увеличения линейных размеров растущего кристалла в единицу времени), величины которых зависят от степени переохлаждения, т. е. от скорости охлаждения (рис. 6.4).
1 с 2 с 3 с 4 с
5 с 6 с 7 с
Рис. 6.3. Модель кинетики процесса кристаллизации
Термический анализ.
Для определения критических точек (температур фазовых превращений) в материаловедении применяют три основных метода определения изменений теплофизических свойств: теплосодержания или температуры (термический анализ), теплоемкости (калориметрия) и теплового расширения (дилатометрический анализ).
Термический анализ.
Известно, что любое изменение состояния металлов и сплавов (фазовое или структурное) вызывает изменение теплосодержания (энтальпии), а потому должно сопровождаться тепловым эффектом – выделением или поглощением тепла. Если при нагреве или охлаждении удается зафиксировать тепловой эффект, о котором можно судить по изменению температуры металла, то можно выявить вид превращения и определить условия, способствующие или тормозящие превращение.
Регистрация теплового эффекта может быть осуществлена различными. Указанными выше способами. В практике материаловедения наибольшее применение получил наиболее простой из них – термический анализ. Изменение теплосодержания при этом способе характеризуется изменением температуры, обычно фиксируемой в зависимости от времени нагрева или охлаждения металла.
При термическом анализе автоматически записывается или строится по экспериментальным данным графическая зависимость – изменение температуры во времени в процессе нагрева или охлаждения с постоянной скоростью. Тепловой эффект выражается в появлении при соответствующей температуре различного вида аномалий (ступеней, перегибов), поэтому он может быть зарегистрирован, а тем самым выявлено соответствующее превращение. Использование различных схем термического анализа в сочетании с высокочувствительной измерительной аппаратурой позволяет достаточно надежно определять температуры превращений при изменении агрегатного состояния (плавления или кристаллизации), при полиморфном, эвтектоидном или других превращениях.
Построение кривых ликвидуса и солидуса на диаграммах равновесия. Плавление и кристаллизация относятся к числу фазовых превращений I рода и, поэтому, сопровождаются резким изменением теплосодержания и, соответственно, значительными тепловыми эффектами. Так, теплота кристаллизации Al составляет 394 кДж/кг, Cu – 180 кДж/кг, Ni – 306 кДж/кг, Fe – 272 кДж/кг. Зависимость теплосодержания от температуры и времени определить достаточно трудно. Поэтому на практике чаще строят термограммы – зависимости температуры от времени. По ним можно судить о температурах и характере превращений и определять точки ликвидуса и солидуса.
Порядок выполнения работы
Для наблюдения процесса кристаллизации следует предварительно подготовить стереомикроскоп МБС-9 и препараты.
Для этого на предметное стекло необходимо нанести каплю воды, при этом отражательное зеркало микроскопа установить так, чтобы свет падал на объектив микроскопа. Изображение капли воды должно быть четким. Следует выставить увеличение микроскопа порядка 10–12 раз.
По результатам исследований написать отчет по работе.
Содержание отчета
Отчет по работе должен включать:
– описание цели и методики проведения исследований;
– кривые зависимости числа зародышей и скорости роста кристаллов от степени переохлаждения с пояснениями к ним;
– перечислить основные факторы, влияющие на размер зерна и на зависимость механических свойств от размера зерна;
– привести описание особенностей структуры затвердевшей капли азотнокислого свинца по сечению (три зоны);
– объяснить различия в протекании процесса кристаллизации капель медного купороса для разных условий опыта; величины ∆Т1, ∆Т2, ∆Т3 нанести на график зависимости числа зародышей и скорости роста кристаллов от степени переохлаждения.
Контрольные вопросы
1. Расскажите, что такое кристаллизация.
2. С чего начинается процесс кристаллизации?
3. Какую температуру называют фактической температурой кристаллизации?
4. Что такое термическое переохлаждение?
5. Какие металлы более склонны к переохлаждению?
6. Что такое перенагревание?
7. Объясните, что собой представляют кристаллиты, или зерна.
8. Как влияют на процесс кристаллизации неметаллические включения и вводимые
оксиды?
9. Перечислите факторы, от которых зависит скорость процесса кристаллизации.
10. Можно ли регулировать размеры зерен изменением скорости охлаждения?
11. Как можно управлять процессом кристаллизации? Для чего необходимо управлять
процессом кристаллизации?
12. Что такое модифицирование и как оно влияет на характер кристаллизации
и свойства сплавов?
13. Что общего и в чем отличие процессов кристаллизации чистых металлов и сплавов?
14. Расскажите, что такое сплав и его компоненты?
15. Опишите виды сплавов по типу взаимодействия компонентов.
16. Что такое дендритная кристаллизация?
17. Чем отличается дендритная кристаллизация от дендритной ликвации?
18. Как устранить вредное влияние дендритной ликвации на свойства слитков?
Лабораторная работа № 10