Cristalizarea omogenă. stare sistem caracterizat printr-o energie internă, care este suma energiei atomilor (ionii), electronii, energia de deformare elastică a rețelei cristaline, etc. O parte din energia care poate fi transformată în muncă în condiții izoterme, numite liber ..:
unde energia F fără energie, U - energia internă totală, temperatura T; S este entropia. Substanța poate fi în stare agregată solidă, lichidă sau gazoasă. Trecerea la o stare nouă este posibilă dacă are o rezervă mai mică de energie liberă.
Cu creșterea temperaturii, energia liberă F a metalului în stare lichidă și solidă scade (figura 2.1):
Când temperatura de echilibru cristalizare Ts energia liberă a fazelor lichide și solide sunt aceleași, cele două faze coexistă, schimbarea de energie are loc:
Procesul de cristalizare trebuie să fie benefic din punct de vedere termodinamic și însoțit de o scădere a energiei libere a sistemului. Acest lucru este posibil atunci când faza lichidă este răcită sub Ts la o temperatură practică de cristalizare Tcr. Trecerea de la starea lichidă la starea solidă este însoțită de eliberarea energiei:
Răcirea topiturii sub temperatura de echilibru se numește subrăcire și se caracterizează prin gradul de subrăcire:
Topirea - procesul de cristalizare inversă - are loc atunci când temperatura este peste temperatura de echilibru. Tranziția de la starea solidă la cea lichidă este însoțită de absorbția energiei:
Încălzirea topiturii deasupra temperaturii de echilibru se numește supraîncălzire și se caracterizează prin gradul de supraîncălzire. DT2 = Tm - Ts.
Diferența dintre temperaturile efective de topire și cristalizare este reprezentată de histerezisul temperaturii.
Mecanismul procesului de cristalizare. Când metalul lichid pătrunde în stare solidă, câștigul de energie liberă (figura 2.2, curba 1) trebuie să fie mai mare decât cheltuielile de energie pentru formarea interfeței cu cristale lichide (curba 2). Schimbarea energiei libere a sistemului DF este determinată de suma algebrică a suprafeței S × s și a volumului V × Df a embrionului:
unde S este suprafața embrionului; s este tensiunea de suprafață specifică la interfață; V este volumul embrionului; Df este diferența dintre energiile libere ale stărilor lichide și cristaline pe unitatea de volum. O creștere a dimensiunii embrionului duce mai întâi la o creștere a energiei libere (volumul de nucleare, suprafața este mare), la o anumită valoare critică a lui r0, la o scădere (curba 2.2, curba 3). Dimensiunea minimă a unui embrion capabil de creștere se numește critică. embrion - stabil. Embrionii se formează independent unul de celălalt, cristalele în creștere au o formă obișnuită (a se vedea figura 2.3). Când se îmbină cu alte cristale, forma este spartă, cristalele se numesc boabe. Creșterea lor continuă în direcția celorlalte secțiuni ale metalului lichid.
Pentru formarea și dezvoltarea nucleelor, este necesară difuzia atomilor din metalul lichid. Fiecare temperatură de cristalizare (gradul de supercoolizare) corespunde unei dimensiuni definite a unui embrion stabil: cele mici se dizolvă într-un lichid, crește foarte mult. Cu cât temperatura este mai mică (cu atât este mai mare gradul de supracolire), cu atât dimensiunea nucleului stabil este mai mică, cu cât sunt formate mai multe centre de cristalizare pe unitate de timp, cu atât procesul de cristalizare este mai rapid.
răcire lentă (fig. 2.4, linia 1), gradul de răcirea bruscă DT1 este mică (Fig. 2.5), continuă cristalizare la o temperatură ridicată în apropierea ravnovesnoy.Na temperatură-timp curba apare platformă orizontală, deoarece disiparea căldurii este compensată eliberată în timpul cristalizării căldurii latente cristalizare. În topitură pe unitate de timp, se formează o unitate de volum în unități mici (dimensiune - mm -3 # 8729; c-1) din care cresc cristale mari. De regulă, nu se formează noi embrioni.
Cu o creștere a vitezei de răcire (figura 2.4, curba 2), cristalizarea are loc la o temperatură mai scăzută. Numărul de embrioni crește, din care cresc multe cristale mici. Rata de cristalizare - rata de creștere a dimensiunilor liniare ale cristalului - are o dimensiune de mm # 8729; s -1. Cu un grad mare de supracolire, căldura latentă este eliberată în stadiul inițial de cristalizare viguros, temperatura crește brusc.
Cu o creștere a gradului de supracoolizare, rata de difuzie a atomilor scade, formarea de embrioni și creșterea lor devine mai dificilă.
La viteza maximă de răcire (curba 3), difuzia atomilor este mică, numărul de centre de cristalizare și rata de creștere a cristalelor sunt zero, se formează o structură amorfă - o sticlă metalică.
Gradul de supracolire depinde de volumul metalului lichid și de puritatea acestuia. Cu un volum mare de metal lichid, căldura eliberată în timpul cristalizării ridică temperatura la un echilibru practic; cu un volum mic - căldura eliberată nu este suficientă, cristalizarea are loc cu un grad mai mare de supracoolizare. Supracoolizarea semnificativă se realizează numai atunci când se solidifică metalele foarte pure. În metalele și aliajele tehnice pure, gradul de supracolire este mic: 10-30 ° C. Sărurile, silicatele, substanțele organice, dimpotrivă, sunt predispuse la supracolări.
Cristalizare heterogenă. Formarea spontană a embrionilor apare numai în metalul lichid pur. Formarea embrionilor apare deseori pe incluziuni străine (impurități), care sunt întotdeauna prezente în topitură.
Dacă atomii de impuritate și metalul se solidifică au aceeași rețea cristalină (factor structural) și dimensiunile atomilor nu diferă cu mai mult de 5-7% (factor dimensiune), astfel de impurități izomorfe acționează ca nucleația terminat. Similitudinea structurală dintre interfețele cuplării embrionare și includerea duce la scăderea dimensiunii critice a embrionului. Solidificarea începe cu mai puțin supercooling decât cu cristalizarea spontană. Cu cat sunt mai multe impuritati, cu atat mai multe centre de cristalizare si cu cat mai mici sunt cerealele. O astfel de formare a embrionilor este numită eterogenă. În mod obișnuit, cristalizarea începe de la pereții mucegaiului, care joacă același rol ca și incluziunile.
Dacă impuritățile nonisomorfe au contact cu metalul de solidificare, atunci structura stratului lor de suprafață se schimbă, adaptându-se structurii cristalelor metalice - activarea impurităților. Impuritatea activată precipită atomii metalului de solidificare.
Impuritățile active de suprafață dizolvate într-un metal lichid pot mătura granulația și modifica forma cristalului în creștere, depunând un strat subțire pe suprafața sa. Aceasta duce la o scădere a energiei de suprafață la interfață.
modificarea - introducerea substanțelor în topitură (inoculanților) pentru a îmbunătăți proprietățile mecanice, tehnologice și operaționale ale structurii turnate prin frezare. În plus față de modificare, efectele fizice se aplică structurii metalelor cristalizante. reglarea temperaturii topiturii și răcirea ei în timpul debitului, vibrațiilor, ultrasunetelor, agitării electromagnetice etc. Există, de asemenea, metode combinate. introducerea modificatorilor și suprapunerea oscilațiilor cu frecvență ultrasonică.
Au fost stabilite două tipuri de efecte ale modificatorilor asupra structurii.
Măcinarea monotonă a cerealelor cu un conținut în creștere al modificatorului. Cu un conținut mai mare de 0,2-0,6%, acesta se stabilizează.
Măcinarea nemonotonică a cerealelor cu un interval de concentrație optim de 0,01-0,1%. Depășirea duce la o creștere a dimensiunii cerealelor.
Scăderea monotonă în granulație cu creșterea concentrației de modificator insoiubiie caracteristice (titan din aluminiu) nemonotone - pentru surfactanți impurităților solubile (de exemplu, zinc, magneziu).
Când modificați aliajele de aluminiu, folosiți Ti, V, Zr; oțel - Al, V, Ti. Bor este utilizat ca modificator de suprafață pentru nichel și aliaje de fier, magneziu pentru fontă.
Demodificatoare - aditivi care măresc dimensiunea granulelor. Ele sporesc activitatea formării embrionului, întârzie formarea acestuia și reduc probabilitatea unui centru de cristalizare.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: