Главная
Разделы
Материаловедение
Книги
Лекции
Методички
Контрольные
Сварка
Книги
Метрология
Лекции
Книги
Заказать работу!!!
Гостевая книга
дипломы,курсовые,рефераты,контрольные,диссертации,отчеты на заказ
Materialscience.ru / Разделы / Материаловедение / Контрольные / Контрольная работа 1, вариант 4, вопрос 1

Опишите физическую сущность и механизм процесса кристаллизации

Любое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном. Возможен переход из одного состояния в другое, если новое состояние в новых условиях является более устойчивым, обладает меньшим запасом энергии.

С изменением внешних условий свободная энергия изменяется по сложному закону различно для жидкого и кристаллического состояний. Характер изменения свободной энергии жидкого и твердого состояний с изменением температуры показан на рисунке 1.

Изменение свободной энергии в зависимости от температуры
Рисунок 1 –Изменение свободной энергии в зависимости от температуры

В соответствии с этой схемой выше температуры ТS вещество должно находиться в жидком состоянии, а ниже ТS – в твердом.

При температуре равной ТS жидкая и твердая фаза обладают одинаковой энергией, металл в обоих состояниях находится в равновесии, поэтому две фазы могут существовать одновременно бесконечно долго. Температура ТS – равновесная или теоретическая температура кристаллизации.

Для начала процесса кристаллизации необходимо, чтобы процесс был термодинамически выгоден системе и сопровождался уменьшением свободной энергии системы. Это возможно при охлаждении жидкости ниже температуры ТS. Температура, при которой практически начинается кристаллизация называется фактической температурой кристаллизации.

Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации называется переохлаждением, которое характеризуется степенью переохлаждения (ΔТ):

ΔТ = Ттеоркр.

Степень переохлаждения зависит от природы металла, от степени его загрязненности (чем чище металл, тем больше степень переохлаждения), от скорости охлаждения (чем выше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждени).

При нагреве всех кристаллических тел наблюдается четкая граница перехода из твердого состояния в жидкое. Такая же граница существует при переходе из жидкого состояния в твердое.

Кристаллизация – это процесс образования участков кристаллической решетки в жидкой фазе и рост кристаллов из образовавшихся центров.

Процесс перехода металла из жидкого состояния в кристаллическое можно изобразить кривыми в координатах время – температура. Кривая охлаждения чистого металла представлена на рисунке 2.

 

Кривая охлаждения чистого металла


Рисунок 2 – Кривая охлаждения чистого металла

Ттеор – теоретическая температура кристаллизации;

Ткр – фактическая температура кристаллизации.

Процесс кристаллизации чистого металла:

До точки 1 охлаждается металл в жидком состоянии, процесс сопровождается плавным понижением температуры. На участке 1 – 2 идет процесс кристаллизации, сопровождающийся выделением тепла, которое называется скрытой теплотой кристаллизации. Оно компенсирует рассеивание теплоты в пространство, и поэтому температура остается постоянной. После окончания кристаллизации в точке 2 температура снова начинает снижаться, металл охлаждается в твердом состоянии.

Механизм кристаллизации металлов.

При соответствующем понижении температуры в жидком металле начинают образовываться кристаллики – центры кристаллизации или зародыши. Для начала их роста необходимо уменьшение свободной энергии металла, в противном случае зародыш растворяется.

Механизм кристаллизации представлен на рисунке 3.

 

Модель процесса кристаллизации

Рисунок 3 –Модель процесса кристаллизации

Центры кристаллизации образуются в исходной фазе независимо друг от друга в случайных местах. Сначала кристаллы имеют правильную форму, но по мере столкновения и срастания с другими кристаллами форма нарушается. Рост продолжается в направлениях, где есть свободный доступ питающей среды. После окончания кристаллизации имеем поликристаллическое тело.

Таким образом, процесс кристаллизации состоит из образования центров кристаллизации и роста кристаллов из этих центров.

В свою очередь, число центров кристаллизации (ч.ц.) и скорость роста кристаллов (с.р.) зависят от степени переохлаждения (рисунок 4).

 

Зависимость числа центров кристаллизации (а) и скорости роста кристаллов (б) от степени переохлаждения

Рисунок 4 – Зависимость числа центров кристаллизации (а) и скорости роста кристаллов (б) от степени переохлаждения

Размеры образовавшихся кристаллов зависят от соотношения числа образовавшихся центров кристаллизации и скорости роста кристаллов при температуре кристаллизации.

При равновесной температуре кристаллизации ТS число образовавшихся центров кристаллизации и скорость их роста равняются нулю, поэтому процесса кристаллизации не происходит.

Если жидкость переохладить до температуры, соответствующей т. а, то образуются крупные зерна (число образовавшихся центров небольшое, а скорость роста – большая).

При переохлаждении до температуры соответствующей т. в – мелкое зерно (образуется большое число центров кристаллизации, а скорость их роста небольшая).

Если металл очень сильно переохладить, то число центров и скорость роста кристаллов равны нулю, жидкость не кристаллизуется, образуется аморфное тело. Для металлов, обладающих малой склонностью к переохлаждению, экспериментально обнаруживаются только восходящие ветви кривых.

Оставить комментарий
Ваше имя: (Осталось - 50 символов)
Комментарий: (Осталось - 500 символов)
Проверка, что вы не робот:
Автор: елена
скажите а как скачать?
Автор: Игорь
Это знает каждый школьник, изучавший физику в 8-9 классах. Подскажите лучше, где взять значения скрытой теплоты кристаллизации для сплавов систем Al-Si, Al-Si-Mg, Al-Si-Cu?! Заранее, спасибо.
Автор: Антон
спасибо большое.
Автор: Любаша
Для нас заочников - это просто спасение, СПАСИБО.....!!!!!
Автор: максим ,Москва,
Спасибо.
Автор: Михаил (Витебск)
только не понятно в конце это:
------- до температуры, соответствующей т. а, то ----------------------
------- до температуры соответствующей т. в – мелкое зерно--------
где эти точки а и в ?
Автор: Михаил (Витебск)
Спасибо огромное за Ваш труд, Вы многим студентам всего бывшего союза помогли!
Молодцы!
Автор: Лиля
Здесь нашла ответы на все вопросы! Здорово! Спасибо большое!
Автор: саня
помогли пашибочки =)
Автор: Ильгиз
Спасибо, все очень доступно и понятно!!!)))
Получи промокод и заказывай любую студенческую работу со скидкой в 15%!!!