Esența fizică și mecanismul procesului de cristalizare
Cristalizarea este procesul de formare a siturilor de cristal în faza lichidă și de creștere a cristalelor din centrele formate.
Cristalizarea are loc în condiții când sistemul trece într-o stare termodinamic mai stabilă, cu un minim de energie liberă.
Procesul de tranziție a unui metal dintr-o stare lichidă într-o stare cristalină poate fi reprezentat de curbe în coordonatele timp-temperatură. Curba de răcire a unui metal pur este prezentată în Fig. 1.
Fig.1. Curba de răcire pentru metalul pur
- temperatura teoretică de cristalizare;
. Este temperatura reală de cristalizare.
Procesul de cristalizare a metalului pur:
Până la punctul 1, metalul este răcit în stare lichidă, procesul fiind însoțit de o scădere ușoară a temperaturii. În secțiunile 1- 2 există un proces de cristalizare, însoțit de eliberarea căldurii, care se numește căldură latentă de cristalizare. Compensează disiparea căldurii în spațiu și, prin urmare, temperatura rămâne constantă. După terminarea cristalizării la punctul 2, temperatura începe să scadă din nou, metalul se răcește în stare solidă.
Mecanism de cristalizare a metalelor.
Cu o scădere corespunzătoare a temperaturii, cristaliții încep să se formeze în metalul lichid, centrele de cristalizare sau embrioni. Pentru a-și începe creșterea, o scădere a energiei libere a metalului este necesară, altfel embrionul se dizolvă.
Dimensiunea minimă a unui embrion capabil de creștere se numește dimensiunea critică. iar embrionul este stabil.
Trecerea de la starea lichidă la starea cristalină necesită cheltuieli de energie pentru formarea interfeței cu cristale lichide. Procesul de cristalizare va fi realizat atunci când câștigul de la tranziția la starea solidă este mai mare decât energia pierdută la formarea interfeței. Dependența energiei sistemului de dimensiunea nucleului fazei solide este prezentată în Fig. 2.
Embrionii cu dimensiuni egale și mai mari decât cele critice cresc cu scăderea energiei și, prin urmare, sunt capabile să existe.
Fig.2. Dependența energiei sistemului de dimensiunea nucleului fazei solide
Mecanismul de cristalizare este prezentat în Fig.
Figura 3. Modelul procesului de cristalizare
Centrele de cristalizare se formează în faza inițială independent una de cealaltă în locuri aleatorii. În primul rând, cristalele au forma corectă, dar când coliziunea și fuziunea cu alte forme de cristale sunt perturbate. Creșterea continuă în direcțiile în care există acces liber la mediul de aprovizionare. După terminarea cristalizării, avem un corp policristalin.
Schema calitativă a procesului de cristalizare poate fi reprezentată cantitativ prin curba cinetică (figura 4).
Fig. 4. Curba cinetică a procesului de cristalizare
Procesul este accelerat mai întâi până când coliziunea cristalelor începe să împiedice creșterea lor. Volumul fazei lichide în care sunt formate cristalele scade. După cristalizarea a 50% din volumul metalului, viteza de cristalizare va încetini.
Astfel, procesul de cristalizare constă în formarea de centre de cristalizare și creșterea cristalelor din aceste centre.
La rândul lor, numărul de centre de cristalizare (cc) și rata de creștere a cristalelor (sr) depind de gradul de supracoolizare (figura 5).
Fig. 5. Dependența numărului de centre de cristalizare (a) și a vitezei de creștere a cristalului (b) asupra gradului de supracoolizare
Dimensiunile cristalelor formate depind de raportul dintre numărul de centre de cristalizare formate și viteza de creștere a cristalelor la temperatura de cristalizare.
La temperatura de cristalizare echilibrată TS, numărul de centre de cristalizare formate și viteza de creștere a acestora sunt zero, astfel că nu are loc procesul de cristalizare.
Dacă lichidul este răcit la o temperatură corespunzătoare, se formează granule mari (numărul de centre format este mic și viteza de creștere este mare).
Atunci când se răcește la temperatura corespunzătoare tb, se formează o granulă fină (se formează un număr mare de centre de cristalizare, iar rata de creștere este mică).
Dacă metalul este foarte puternic răcit, atunci numărul de centre și viteza de creștere a cristalelor sunt zero, lichidul nu cristalizează, se formează un corp amorf. Pentru metalele cu o susceptibilitate scăzută la supracolizare, numai ramurile ascendente ale curbelor sunt observate experimental.
recoacere Rekristalizatsionny (recristalizare) - I-recoacere de primul tip, un proces de nucleația și creșterea de noi boabe de metal nedeformată prin încălzire la o anumită temperatură hardened rece.
Încălzirea metalului la temperaturi de recristalizare este însoțită de o schimbare bruscă a microstructurii și a proprietăților. Încălzirea duce la o scădere puternică a rezistenței, cu o creștere simultană a plasticității. De asemenea, scade rezistența electrică și mărește conductivitatea termică.
Prima etapă - recristalizarea primară (tratamentul) constă în formarea de centre de cristalizare și creșterea unor noi granule de echilibru cu o latură de cristal nedistorsionată. Noi granule apar la granițele boabelor și blocurilor vechi, unde grâul a fost cel mai distorsionat. Numărul de boabe noi crește treptat și nu există granule vechi deformate în structură.
Forța motrice a recristalizării primare este energia acumulată în metalul întărit. Sistemul tinde să intre într-o stare stabilă, cu o latură de cristal nedistorsionată.
2 etape - recristalizarea colectivă constă în creșterea boabelor nou formate.
Forța motrice este energia de suprafață a boabelor. Cu boabe fine, interfața este mare, deci există o mare cantitate de energie de suprafață. Atunci când boabele sunt lărgite, dimensiunea totală a limitelor scade, iar sistemul trece într-o stare de echilibru mai mare.
Temperatura debutului recristalizării este legată de temperatura de topire
,
pentru soluții solide
pentru metale de mare puritate
Proprietățile metalului sunt influențate în mare măsură de mărimea granulelor obținute în timpul recristalizării. Ca urmare a formării granulelor mari, rezistența și, în mod semnificativ, plasticitatea metalului începe să scadă la o temperatură t1.
Principalii factori care determină dimensiunea granulelor metalice în timpul recristalizării sunt temperatura, durata încălzirii și gradul de deformare preliminară (figura 6).
Fig. 6. Influența gradului preliminar de deformare a metalului asupra mărimii granulelor după recristalizare
Pe măsură ce crește temperatura, boabele devin mai groase, iar grâul coasnează și cu creșterea timpului de depozitare. Cele mai mari granule se formează după o ușoară deformare preliminară de 3 ... 10%. O astfel de deformare se numește critică. Și o astfel de deformare este nedorită înainte de efectuarea recoctării prin recristalizare.
Practic, recoacere de recristalizare a fost realizată pentru oțelurile carbon scăzut, la o temperatură de 600 ... 700 ° C pentru alamă și bronz - 560 ... 700 ° C pentru aliaje de aluminiu - 350 ... 450 ° C și aliaje de titan - 550 ... 750 o C.
Transformări în aliaje de fier-carbon
Diagrama de stare Fe-Fe3C (Figura 7) prezintă compoziția de fază și transformările în aliaje cu o concentrație de fier pur la cementită.
Transformările în aliajele de fier-carbon apar atât în cristalizarea (solidificarea) fazei lichide (G), cât și în stare solidă.
Fig. 7. Diagrama stării Fe-Fe3C (într-o formă simplificată și completă).
Cristalizarea primară are loc în intervalul de temperatură limitat de liniile lichus (ACD) și solidus (AECF).
cristalizare secundară apare prin conversia unei modificări alotropice a fierului în celălalt și prin modificarea solubilității carbonului în austenită și de ferită, care scade odată cu scăderea temperaturii. Excesul de carbon este eliberat din soluții solide sub formă de cementite. În aliajele sistemului Fe-Fe3C apar următoarele transformări izotermice:
Transformarea eutectică pe linia ECF (1147 ° C)
Transformarea eutectoidă pe linia PSK (727 ° C)
Amestecul eutectic de austenită și cementită se numește ledeburite (L), iar amestecul eutectoid de ferită și cementită este perlit (II). Ledeburite conține 4,3% carbon. După răcire sub liniile PSK ledeburită aparține lui transformatele austenită la perlita și la temperatura normală Ledebur este un amestec de perlită și cementită și numită conversie ledeburită (A pr). Cementite în această componentă structurală formează o matrice continuă în care sunt localizate coloniile de perlit. Această structură a ledeburite explică marea duritate (HB 700) și fragilitatea sa.
Perlitul conține 0,8% carbon. În funcție de forma particulelor, cementitul este lamelar și granular. Este o componentă structurală solidă cu duritate (HB210).
Diagramele diagramei de stare Fe-Fe3 C
Liniile de diagramă reprezintă un set de puncte critice ale aliajelor cu compoziție diferită care caracterizează transformările din aceste aliaje la temperaturile corespunzătoare.
Să luăm în considerare valoarea liniilor de diagramă cu răcire lentă.
ACD este linia liquidus. Deasupra acestei linii, toate aliajele sunt în stare lichidă.
AECF este linia solidus. Sub această linie toate aliajele sunt în stare solidă.
AS - cristalele de austenită precipită din soluția lichidă.
CD-ul este linia de separare primară a cementitei.
AE - este finalizată cristalizarea austenitei.
ECF este linia de transformare eutectică.
GS - determină temperatura de început a extracției de ferită din austenită (910-727 ° C).
GP - determină temperatura la care ferita este separată de austenită.
PSK este linia de transformare eutectoidă.
ES - linia secundară secundară de separare a cementitei.
PQ este linia de eliberare a cementitei terțiare.
Domenii ale diagramei de stare Fe-Fe3 C
Linile diagramei: împărțiți întregul câmp al diagramei în regiuni de existență a fazelor în echilibru. Fiecare regiune a diagramei corespunde unei anumite stări structurale formate ca urmare a transformărilor care apar în aliaje.
I - Soluție lichidă (F).
Soluția II-lichidă (G) și cristalele de austenită (A).
III - Soluție lichidă (G) și cristale de cementită primară (CI).
IV - Cristale de austenită (A).
V - Cristale de austenită (A) și ferită (Ф).
VI - Cristale de ferită (Ф).
VII - Cristale de austenită (A) și cementită secundară (CII).
VIII - Cristale de ferită (Ф) și cementită de terțiar (CIII).
IX - Cristale de ferită (Ф) și perlit (П).
X - Cristale de perlit (II) și cementită secundară (CII).
XI - Cristale de austenită (A), ledeburite (L) și cementită secundară (CII).
XII - Cristale de perlit (II), cementite secundare (CII) și ledeburite convertite (Lp).
XIII-cristale de Ledeburite și Cementite primare (CI).
XIV - Cristale de cementită din perlit primar (II) și ledeburit convertit (Lp).
În acest caz, atunci când austenita este răcită, există doar un punct critic AS. corespunzând unei temperaturi de 727 ° C La această temperatură, austenita este în echilibru cu ferită și cementită:
Descompunerea eutectoidă a austenitei din compoziția punctului S (0,8% C) într-o ferită a punctului P (0,025% C) și a cementitei are loc cu unele supracoolări, adică sub 727 ° C. Amestecul eutectoid de ferită și cementită se numește perlit. Raportul dintre ferită și cementită în perlit este de aproximativ 7,3. 1.
Numărarea se efectuează în conformitate cu regula pârghiei, oarecum sub linia eutectoidă:
La temperatura camerei - compoziția de ferită și perlit
Fig. 8. Secțiunea inferioară din stânga a diagramei de stare a cementitei de fier. Cristalizarea secundară a aliajelor:
a) diagrama, b), c), d), e), e) curbele de răcire ale aliajelor
Documente conexe:
când este încălzit și răcit. Opțiunea 4 1. Descrieți esența fizică și mecanismul procesului de cristalizare. 2.De ce are loc. Modificatorii influențează cristalizarea procesului. Dați exemple de utilizare practică a procesului de modificare. 2. Cum.
Disciplina "Știința materialelor fizice. Cristalizarea Condiții energetice ale procesului de cristalizare. Mecanismul procesului de cristalizare. Cristalizare spontană și non-auto-cristalizantă. mecanismul și mecanismul de formare și creștere a embrionilor. Essence.
și filtrarea, condensarea, cristalizarea și, în general, procesul de formare a unor noi faze. care limitează această suprafață. Esența fizică a tensiunii de suprafață în acest sens. Este necesar să se utilizeze idei despre mecanismul de adsorbție și modele specifice.
nu există nici o zonă orizontală? Care este mecanismul procesului de cristalizare. La ce structură de metale. 14. Care este esența fizică a proceselor de topire și cristalizare. 15. Explicați natura și scopul modificării. 16.
descărcare. Esența procesului - La sudare. etapa de cristalizare. formarea centrelor de cristalizare. Caracteristici specifice ale proprietăților fizice. 3 cartuș; Alimentator cu 4 fire; 5-6-mecanisme de verticale și transversale.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: