Процесс кристаллизации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Процесс кристаллизации

Выполнил:

Милёхин А.И

Содержание

1. Кристаллизация сплава

2. Какие дефекты металла и особенности его структуры

3. Строение и свойства металлов

Заключение

Список использованной литературы

1. Кристаллизация сплава

Внешне это проявляется в переходе твердого состояния в жидкое. После разрушения последних участков кристаллической решетки продолжающийся подвод тепла вызывает повышение температуры жидкого металла.

При охлаждении происходит обратный процесс. Горизонтальный участок кривой охлаждения показывает, что происходит кристаллизация, сопровождающаяся выделением тепла, которое называется скрытой теплотой кристаллизации. Кристаллизация металла происходит при некотором переохлаждении ДТ, величина которого зависит от природы самого металла, от степени его загрязненности различными включениями и от скорости охлаждения. Кривые охлаждения, характеризующие процесс кристаллизации чистых металлов при охлаждении с разной скоростью.

При очень медленном охлаждении степень переохлаждения невелика и процесс кристаллизации протекает при температуре, близкой к равновесной.

С увеличением скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает и процесс кристаллизации протекает при температурах, лежащих ниже равновесной температуры кристаллизации. Чем чище жидкий металл, тем более он склонен к переохлаждению. При затвердевании очень чистых металлов степень переохлаждения ДТ может быть очень велика.

Процесс кристаллизации начинается с образования кристаллических зародышей (центров кристаллизации) и продолжается в процессе роста их числа и размеров. Вокруг образовавшихся центров начинают расти кристаллы. Каждый из растущих новых кристаллов ориентирован в пространстве произвольно. При уменьшении количества жидкости поверхности растущих кристаллов соприкасаются друг с другом, их правильная внешняя форма нарушается и получается произвольной (рис. 5.5, г). кристалл переохлаждение металл дефект

Кристаллы с неправильной внешней формой называются зернами или кристаллитами (рис. 5.5, г). Твердые тела, в том числе и металлы, состоящие из большого количества зерен, называют поликристаллическими.

Таким образом, процесс кристаллизации состоит из двух этапов:

1) образование центров кристаллизации (зародышей);

2) рост кристаллов вокруг этих центров.

Установлена зависимость числа центров кристаллизации (ч. ц.) и скорости роста кристаллов (с. к.) от степени переохлаждения ДТ (рис. 5.6).

Рис. 4.5. Схемы процесса кристаллизации металла.

Рис. 4.6. Зависимость параметров кристаллизации от степени переохлаждения: ч. ц. - число центров кристаллизации, образующихся в единицу времени; с. к. - скорость роста кристаллов

При равновесной температуре Т₀ число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов равны нулю, процесса кристаллизации не происходит. Если жидкость переохладить до температуры, соответствующей точке a, то образуются крупные зерна (рис. 4.6). При переохлаждении, соответствующей точке b, образуется мелкое зерно, так как в этом случае скорость роста кристаллов незначительная, а центров кристаллизации много. Если очень сильно переохладить жидкость (точка с на рис. 4.6), то число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов становятся равными нулю, жидкость не кристаллизуется. Образуется аморфное тело.

Кроме тепловых процессов на кинетику процесса кристаллизации, на количество и размеры кристаллизующихся зерен оказывают влияние вторичные факторы. К ним относится случайное наличие в расплаве жидкости посторонних нерастворимых частиц (из шихтовых материалов) или их специальное введение (модифицирование), а также действие ультразвука или механической вибрации.

Кристаллизация без каких-либо посторонних воздействий или без наличия готовых центров кристаллизации называется самопроизвольной, при наличии готовых центров - несамопроизвольной.

Чистые металлы применяют в технике очень редко в связи с тем, что они в большинстве случаев не могут обеспечить необходимых механических и физических свойств, которые удается получить в сплавах.

Металлический сплав образуется в результате взаимодействия двух или нескольких химических элементов. Он обладает металлическими свойствами, отличающимися от свойств исходных компонентов.

Сплавы можно получить методом сплавления, порошковой металлургией, диффузией, осаждением из газовой среды различных металлов и неметаллов.

Дадим определения некоторым металлографическим понятиям.

Компонентами сплава называют химические элементы, входящие в его состав.

Однородная часть сплава, имеющая одинаковые состав, строение, агрегатное состояние, при этом отделенная от остальных частей сплава поверхностью раздела, называется фазой.

Системой называется совокупность фаз в сплаве, находящихся в состоянии стабильного или метастабильного равновесия.

Система может быть простой или сложной. Простая система состоит из одного компонента. Сложная система включает в себя два или более компонентов. Например, система Рb?Sb является двойной, система Al-Cu-Mn -тройной и т. д. Система может быть однородной (однофазной), например вода (жидкость), и неоднородной, состоящей из двух или трех фаз, например вода, лед (жидкость + твердое тело) или пар, вода, лед (жидкость + твердое тело + газ).

Фазовое состояние системы, составленной из двух компонентов, в зависимости от внешних условий может характеризоваться диаграммой состояния. Система называется равновесной, если в ней изменение фазового состояния при изменении внешних условий совершается обратимо, т. е. когда процессы при изменении состояния системы в одном направлении в точности возмещаются процессами, происходящими при изменении системы в обратном направлении.

Структурная составляющая- это однородная составляющая системы, состоящая из одной или нескольких фаз, имеющая характерное регулярное строение, форму и одинаковый средний химический состав.

Выделение из кристаллов твердой фазы других твердых фаз по мере охлаждения сплава называется вторичной кристаллизацией.

В сплаве могут образовываться следующие кристаллические фазы: твердые растворы и промежуточные фазы.

Твердые растворы- это кристаллы, образовавшиеся при распределении атомов одного компонента в кристаллической решетке другого. Один компонент (растворитель) сохраняет свою кристаллическую решетку, другой (растворяемый) отдает свои атомы в решетку растворителя. Вокруг атома растворенного элемента возникают местные искажения пространственной решетки, это приводит к изменению ее периода и свойств.

Твердые растворы обозначают буквами греческого алфавита б, в, г.

Различают твердые растворы замещения и внедрения (рис. 4.7). Образование твердых растворов замещения сопровождается заменой атомов растворителя в его кристаллической решетке на атомы растворенного компонента. Это происходит, если размеры атомов обоих компонентов различаются незначительно.

Рис. 4.7. Атомно-кристаллическая структура твердого раствора: а - внедрения; б - замещения

Твердые растворы внедренияобразуются при размещении атомов растворенного компонента в порах кристаллической решетки растворителя между атомами основного металла. Размеры атомов растворенного компонента (азота, водорода, углерода) значительно меньше атомов растворителя.

Состав твердого раствора, т. е. количество атомов растворенного компонента и растворителя, может меняться. Максимальное число (предельная концентрация) атомов растворенного компонента, которое может находиться в решетке растворителя, определяет предельную растворимость одного компонента в другом.

Растворимость элементов, часто с понижением температуры, уменьшается при увеличении различия их атомных радиусов и их валентности. Твердые растворы внедрения имеют ограниченную растворимость (рис. 4.7, а), а твердые растворы замещения могут быть с ограниченной (рис. 4.7, б) и с неограниченной растворимостью.

Кристаллы, образованные различными элементами и имеющие собственный тип кристаллической решетки, отличающийся от решеток составляющих их элементов, называют промежуточной фазой. Свойства последней, резко отличаются от свойств исходных компонентов.

Промежуточные фазы могут иметь постоянный и переменный состав. Промежуточные фазы постоянного состава- химические соединения компонентов с кратным массовым соотношением элементов. Это позволяет выразить их состав формулой A_mB_n (A и B - компоненты, образующие сплав; m и n - простые числа) и постоянной температурой плавления (диссоциации).

Промежуточные фазы переменного состава, как и твердые растворы, являются кристаллами с переменной концентрацией компонентов. Переменный состав объясняется либо наличием небольших межузельных атомов в кристаллической решетке промежуточной фазы, либо недостатком атомов в узлах решетки.

Промежуточные фазы можно обозначать буквами греческого алфавита или химическими формулами, хотя промежуточные фазы переменного состава отличаются от типичных химических соединений, так как не подчиняются законам валентности. При сплавлении образуются промежуточные электронные фазы. Например, при электронной концентрации 3/2, 21/13, 7/4 фазам в, г, е в сплавах Cu-Zn соответствуют формулы CuZn, Cu₅Zn₈, CuZn₃.

2. Какие дефекты металла и особенности его структуры

Дефекты металлов

Несовершенства строения металлов и сплавов. Д. м. ухудшают их физико-механические свойства (например, электропроводность, магнитную проницаемость, прочность, плотность, пластичность). Различают Д. м. тонкой структуры (атомарного масштаба), например Дислокации, более грубые -- субмикроскопические трещины, образующиеся по границам блоков кристалла и на его поверхности. Ещё более грубые Д. м. -- микро- и макроскопические дефекты, представляющие собой нарушения сплошности или однородности, образующиеся в металле вследствие несовершенства технологии и низкой технологичности многокомпонентных сплавов, требующих особенно точного соблюдения режимов на каждом этапе их изготовления и обработки.

Встречающиеся в металлических изделиях и полуфабрикатах дефекты различаются по размерам и расположению, а также по своей природе и происхождению. Они образуются при плавлении металла и получении отливок (неметаллические и шлаковые включения, усадочные раковины, рыхлоты, газовая пористость, плёны и т.д.), при обработке давлением (расслоения, заковы, закаты, волосовины, плёны, флокены), в результате термической, химико-термической, электрохимической и механической обработки (трещины, прижоги, обезуглероживание и т.д.), в процессе соединения металлов -- при сварке, пайке, склёпывании и т.д. (непровар, непропай, трещины, коррозия и т.д.). Кроме того, дефекты в полуфабрикатах и готовых изделиях могут возникать при их хранении, транспортировке и эксплуатации (коррозионные поражения и др.).

По характеру дефекты могут быть: местными (различные нарушения сплошности -- поры, раковины, трещины, расслоения, флокены, заковы, закаты и др.); распределёнными в ограниченных зонах (ликвационные скопления, зоны неполной закалки, зоны коррозионного поражения, местный наклёп); распределёнными по всему объёму изделия или по его поверхности (несоответствие химического состава, структуры, качества механической обработки).

Местные дефекты, локализованные в ограниченном объёме, могут быть точечными, линейными, плоскостными и объёмными. По расположению они разделяются на наружные (поверхностные и подповерхностные) и внутренние (глубинные).

Дефектами в прикладном, техническом понимании следует считать такие отклонения от нормального, предусмотренного стандартами качества, которые ухудшают рабочие характеристики металла или изделия и приводят к снижению сортности или забраковыванию изделий. Однако не всякий Д. м. является дефектом изделия; отклонения от нормального качества металла, которые не существенны для работы данного изделия, не должны считаться для него дефектами. Отклонения от нормального качества, являющиеся дефектами для изделий, работающих в одних условиях (например, при усталостном нагружении), могут не иметь значения при др. условиях работы (например, при статическом нагружении). Качество металла и рационально изготовленного из него изделия может быть повышено при полном исключении наиболее опасных дефектов (трещин, раковин, расслоений, флокенов и др.) и снижении до некоторого минимума др. дефектов, представляющих меньшую опасность в конкретных условиях эксплуатации данного изделия. Высокое качество металла и изготовляемых из него изделий может обеспечиваться двумя путями: совершенствованием технологии с целью исключения возможности появления дефектов и совершенствованием методов контроля качества металла с целью обнаружения дефектов и отбраковки дефектных заготовок, полуфабрикатов и изделий. Контроль качества металла производится методами химического, спектрального, рентгеноструктурного и металлографического анализа, позволяющими обнаружить отклонения от заданных состава и структуры. Эти методы, как правило, требуют взятия специальных проб металла и приводят к повреждению или разрушению контролируемых изделий и поэтому используются только для выборочного контроля их качества. Более надёжный, сплошной контроль Д. м., являющихся нарушением его сплошности или однородности, производится с помощью физических методов неразрушающего контроля, основанных на исследовании изменений физических характеристик металла. При окончательном решении вопроса о соответствии качества заготовки или изделия заданному необходимо учитывать не только количество, размеры, расположение и характер обнаруженных дефектов, но и конкретные условия нагружения изделия и отдельных его зон в эксплуатации.

3. Строение и свойства металлов

К машиностроительным материалам относятся металлы и их сплавы, древесина, пластмассы, резина, картон, бумага, стекло и др. Наибольшее применение при изготовлении машин получили металлы и их сплавы.

Металлами называются вещества, обладающие высокой теплопроводностью и электрической проводимостью; ковкостью, блеском и другими характерными свойствами.

В технике все металлы и сплавы принято делить на черные и цветные. К черным металлам относятся железо и сплавы на его основе. К цветным -- все остальные металлы и сплавы. Для того чтобы правильно выбрать материал для изготовления деталей машин с учетом условий их эксплуатации, механических нагрузок и других факторов, влияющих на работоспособность и надежность машин, необходимо знать внутреннее строение, физико-химические, механические и технологические свойства металлов.

Металлы и их сплавы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение. Их атомы (ионы, молекулы) располагаются в пространстве в строго определенном порядке и образуют пространственную кристаллическую решетку.

Наименьший комплекс атомов, который при многократном повторении в пространстве воспроизводит решетку, называется элементарной кристаллической ячейкой.

Форма элементарной кристаллической ячейки определяет совокупность свойств металлов: блеск, плавкость, теплопроводность, электропроводность, обрабатываемость и анизотропность (различие свойств в различных плоскостях кристаллической решетки) .

Пространственные кристаллические решетки образуются при переходе металла из жидкого состояния в твердое. Этот процесс называется кристаллизацией. Процессы кристаллизации впервые были изучены русским ученым Д. К- Черновым.

Кристаллизация состоит из двух стадий. В жидком состоянии металла его атомы находятся в непрерывном движении. При понижении температуры движение атомов замедляется, они сближаются и группируются в кристаллы. Образуются так называемые центры кристаллизации (первая стадия). Затем идет роет кристаллов вокруг этих центров (вторая стадия). Вначале кристаллы растут свободно. При дальнейшем росте кристаллы отталкиваются, рост одних кристаллов мешает росту соседних, в результате чего образуются неправильной формы группы кристаллов, которые называют зернами.

Размер зерен существенно влияет на эксплуатационные и технологические, свойства металлов. Крупнозернистый металл имеет низкую сопротивляемость удару, при его обработке резанием возникает трудность в получении малой шероховатости поверхности деталей. Размеры зерен зависят от природы самого металла и условий кристаллизации.

Методы изучения структуры металла. Исследование структур металлов и сплавов производится с помощью макро- и микроанализа, а также другими способами.

Методом макроанализа изучается макроструктура, т. е. строение металла, видимое невооруженным глазом или с помощью лупы. Макроструктуру определяют по изломам металла или по макрошлифам.

Макрошлиф представляет собой образец металла или сплава, одна из сторон которого отшлифована и протравлена кислотой или другим реактивом. Этим методом выявляются крупные дефекты: трещины, усадочные раковины, газовые пузыри, неравномерность распределения примесей в металле и т. д.

Микроанализ позволяет определить размеры и форму зерен, структурные составляющие, качество термической обработки, выявить микродефекты.

Микроанализ проводится по микрошлифам с помощью микроскопа (современные металлографические микроскопы дают увеличение до 2000, а электронные -- до 25 000).

Ми крошлиф-- это образец металла, имеющий плоскую полированную поверхность, подвергнутую травлению слабым раствором кислоты или щелочи для выявления микроструктуры. Свойства металлов. Свойства металлов обычно подразделяют на физико-химические, механические и технологические. Физико-химические и механические свойства твёрдых тел, в том числе и металлов, вам знакомы из курсов физики и химии. Остановимся на рассмотрении некоторых механических и технологических свойств, важных с точки зрения обработки металлов.

Под механическими свойствами, как известно, понимают способность металла или сплава сопротивляться воздействию внешних сил. К механическим свойствам относят прочность, вязкость, твердость и др.

Прочность характеризует свойство металла или сплава в определенных условиях и пределах, не разрушаясь, воспринимать те или иные воздействия внешних сил.

Важным свойством металла является ударная вязкость -- сопротивление материала разрушению при ударной нагрузке.

Под твердостью понимают свойство материала сопротивляться внедрению в него другого, более твердого тела.

Механические свойства материалов выражаются через ряд показателей (например, пределы прочности при растяжении, относительное удлинение и сужение и т.д.)

Пределом прочности при растяжении, или временным сопротивлением разрыву, называется условное напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец в процессе испытания до разрушения

Твердость металлов и сплавов определяют в основном с помощью трех методов, названных по именам их изобретателей: метод Бринелля, метод Роквелла и метод Виккерса. I Измерение твердости по методу Бринелля заключается в том, что с помощью твердомера ТШ в поверхность испытуемого металла вдавливается стальной закаленный шарик диаметром 2,5 5 или 10 мм под действием статической -нагрузки Р. Отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка (лунки) дает значение твердости, обозначаемое НВ.

Измерение твердости по Роквеллу осуществляется с помощью прибора ТК вдавливанием в испытуемый металл шарика диаметром 1,59 мм (1/16 дюйма) или алмазного конуса с углом при вершине 120° (для особо твердых сталей и сплавов) .Показания твердости определяются по индикатору прибора.

Измерение твердости по Виккерсу производится с помощью прибора ТП вдавливанием в металл алмазной четырехгранной пирамиды с углом при вершине а= 136°. По длине диагонали полученного отпечатка с помощью таблицы находят число твердости HV.

Применение того или иного метода зависит от твердости испытуемого образца, его толщины или толщины испытуемого слоя. Например, методом Виккерса пользуются для измерения твердости закаленных сталей, материалов деталей толщиной до 0,3 мм и тонких наружных цементированных, азотированных и других поверхностей деталей.

К основным технологическим свойствам металлов и сплавов

относятся следующие:

ковкость--свойство металла подвергаться ковке и другим видам обработки давлением;

ж и д к о т е к у ч е с т ь -- свойство расплавленного металла заполнять литейную форму во всех ее частях и давать плотные отливки точной конфигурации;

свариваемость -- свойство металла давать прочные сварные соединения;

обрабатываемость реза нием-- свойство металлов подвергаться обработке режущими инструментами для придания деталям определенной формы, размеров и шероховатости поверхности.

Заключение

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

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 выделение энергии в виде скрытой теплоты кристаллизации. Она компенсирует тепло, которое отводится в окружающую среду, и задерживает падение температуры.

С увеличением скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает, и процесс кристаллизации протекает при температурах, значительно более низких, чем равновесная температура кристаллизации.

Степень переохлаждения зависит от природы и чистоты металла. Чем чище металл, тем при большей степени переохлаждения возникают зародыши твердых кристаллов.

Список использованной литературы

1.Адаскин А.М., Зуев В.М. Материаловедение (металлообработка). - М., 2003.

2.Муравьев Е.М. Слесарное дело. М., "Просвещение", 1983, 1990

3.Типовая технологическая инструкция по непрерывной разливке стали, Москва, 1986 г.

.Дефекты легированных сталей. Металлургиздат, 1960 г.

.Атлас дефектов стали. Москва, Металлургия, 1979 г.

Размещено на Allbest.ru