Кинетика процесса кристаллизации
Процесс кристаллизации начинается с образования кристаллических зародышей (центров кристаллизации) и продолжается в процессе роста их числа и размеров (рис. 9.19).
1 с 2 с 3 с 4 с
5 с 6 с 7 с
Рис. 9.19. Модель, иллюстрирующая кинетику процесса кристаллизации.
Скорость кристаллизации (кинетика 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).
 |
Из рис.9.19 видно, что при увеличении размеров кристаллы соприкасаясь меняют свою форму, продолжая расти в свободной части расплава. Приведенный рисунок показывает, как осуществляется процесс первичной кристаллизации. В до- и заэвтектических сплавах (например, на рис. 6.9) процесс первичной кристаллизации может прерываться образованием эвтектики на разных стадиях процесса в зависимости от состава сплава. Этот момент будет зафиксирован на микроструктурах этих сплавов при комнатной температуре. Так, из рис. 9.20 видно, что объемная доля первичных кристаллов Pb (округлые темные области) в сплаве с 3%Sb (1) значительно больше, чем в сплаве с 9% Sb (2), так как процесс первичной кристаллизации в них начался раньше при более высокой температуре. В заэвтектических сплавах, соответственно, объем первичных кристаллов Sb больше в сплаве 4 с 50% Sb.
|
|
|
Термический анализ.
Для экспериментального определения температур фазовых превращений на диаграммах равновесия (критических точек) в материаловедении применяют методы измерения 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, которые способствуют превращению или его тормозят.
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.
|
|
|
На рис. 9.21 приведены примеры кривых охлаждения для соответствующих сплавов, составы которых указаны на условной диаграмме равновесия. Если жидкий металл или сплав допускает значительное переохлаждение, то в начальной стадии кристаллизации скрытая теплота этого превращения выделяется очень бурно, поэтому металл быстро нагревается до равновесной температуры затвердевания, при которой и происходит дальнейший процесс кристаллизации (кривая IV). Если кристаллизация происходит в интервале температур, как у твердых растворов, до- или заэвтектических сплавов, кривые охлаждения имеют вид II и III соответственно. Эти кривые отличаются тем, что на кривой II температура окончания кристаллизации выражается слабо.
|
|
|
Чтобы по этим кривым можно было надежно строить диаграммы равновесия, необходимо обеспечить равномерность нагрева и охлаждения, чтобы на этих кривых не появились ложные перегибы, которые можно принять за температуры в действительности отсутствующих превращений, которые при этом могут замаскировать действительные превращения, которые останутся невыявленными.
Изучение превращений в сплавах в твердом состоянии. Отличительной особенностью превращений в сплавах в твердом состоянии является существенно меньший тепловой эффект, чем при кристаллизации или плавлении (см. табл. 9.1). По кривым температура – время, т.е. термограммам, при нагреве или охлаждении сплавов в твердом состоянии можно определить не только температуры и тип превращения, но и знак теплового эффекта. Если начавшееся при нагреве превращение происходит с поглощением тепла (эндотермически), то на указанных кривых наблюдается замедление роста температуры (кривая 1 на рис. 9.22а). Если же превращение идет с выделением тепла (экзотермически), то повышение температуры происходит быстрее (кривая 2 на рис. 9.22а). Если превращение при нагреве или охлаждении происходит при постоянной температуре, например, полиморфное, эвтектоидное или перитектоидное, то на термограмме при этой температуре наблюдается горизонтальная площадка (кривая 1 на рис. 9.21б). Если превращение происходит в интервале температур, то на термограмме
 |
наблюдаются перегибы, соответствующие изменению скорости нагрева или охлаждения вследствие выделения или поглощения тепла (кривая 2 на рис. 9.22б).
 |
Метод простого термического анализа. Такой метод можно эффективно использовать только для определения температур таких превращений, которые характеризуются повышенным тепловым эффектом. Испытываемый материал помещают в нагревательное устройство. Если определяют температуры плавления или кристаллизации, то этот материал помещают в тигель (1) (Рис. 9.23) и доводят до плавления. В тигель вводят горячий спай термопары (2), изолированный от непосредственного контакта с металлом фарфоровым кожухом (6). Холодный спай выводят к измерительному прибору (9). По показаниям прибора (ТермоЭДС или проградуированная в единицах ТЭДС температура) строят графики температура-время. По появлению аномалий - перегибов или площадок, определяют критические точки, т.е. температуры превращений.
Метод дифференциального термического анализа. Метод применяют для определения температур превращений, сопровождающихся выделением или поглощением небольшого количества тепла (как правило, это превращения в твердом состоянии), либо с малым количеством исследуемого материала. При дифференциальном термическом анализе (ДТА) используется одновременный нагрев или охлаждение эталонного и испытываемого вещества. Это позволяет отделить случайные колебания скорости нагрева или охлаждения, одинаково сказывающиеся на температуре эталона и 
образца. По этой причине требование постоянной скорости нагрева или охлаждения, существенные для простого термического анализа, можно исключить.
Метод ДТА основан на возникновении в образце в момент превращения разности температур между ним и эталоном, которая фиксируется дифференциальной термопарой (Рис. 9.24). ТЭДС, возникающая в этой термопаре, регистрируется высокочувствительным прибором. Дифференциальная термопара состоит из двух горячих спаев (t 1 и t 2), соединенных общим электродом (b). При равенстве температур эталона и образца ТЭДС между ними равна нулю, а в момент превращения – больше или меньше нуля в зависимости от знака теплового эффекта (Рис. 9.25). Наиболее распространенный способ записи термограмм при ДТА – это их автоматическая запись на двухкоординатном приборе (экране дисплея компьютера).
На рис. 9.26 приведены результаты анализа превращений при термической обработке стали У8А в процессе нагрева и охлаждения при ДТА (верхний рис.) и простом термическом анализе (нижний рис.). Точность анализа существенно выше при проведении ДТА.
Дилатометрический анализ. При нагреве металлов и сплавов наблюдается явление теплового расширения, т.е. медленный рост периода кристаллической решетки. При охлаждении период решетки уменьшается. Это означает, что данный эффект является обратимым. Период решетки (или объем) меняется и в процессе структурных превращений – при изменении состава фаз за счет растворения легирующих элементов или примесей. При фазовых превращениях первого рода, когда меняется тип кристаллической решетки, период решетки меняется скачкообразно.
Измерение длины (или объема) во времени позволяет отслеживать кинетику фазовых превращений, так как степень развития этих превращений во времени пропорциональна изменению длины. Изменение размеров тел при нагреве и охлаждении, температурно-временные условия развития фазовых превращений и сопровождающие их объемные эффекты изучают с помощью дилатометрического анализа. Приборы, разработанные для измерения длины тела в условиях нагрева или охлаждения называются дилатометрами. Современные дилатометры (рис. 1.15) снабжены средствами контроля температуры и электронными программаторами, задающими скорость нагрева или охлаждения, изотермические выдержки т.п. и позволяют автоматически осуществлять заданную программу анализа.
Порядок выполнения работы
1. Для типовых диаграмм равновесия двухкомпонентных систем построить кривые охлаждения основных сплавов.
2. Для выбранной для определения критических точек диаграмме равновесия эвтектического типа (Рис.9.21) выяснить, как происходят превращения при нагреве и охлаждении в разных сплавах, и какими тепловыми эффектами эти превращения сопровождаются.
3. С помощью установки для осуществления прямого термического анализа (типа изображенной на рис. 9.23) построить кривые нагрева и охлаждения компонентов и сплавов на диаграмме равновесия Pb - Sb с различным содержанием Sb. Кривые строить на миллиметровой бумаге. Выявить и обозначить на кривых критические точки фазовых превращений, соответствующих тепловым эффектам (как на рис.9.22). Положение критических точек уточнить после обработки данных по кривым нагрева и охлаждения сплава с 13% Sb.
4. Построить обобщенную диаграмму равновесия на миллиметровой бумаге обозначив масштаб по осям температур и концентраций и проведя вертикальные линии разрезов для соответствующих сплавов. Критические точки, соответствующие линиям ликвидус и солидус соединить сплошными линиями.
5. Просмотреть микроструктуры соответствующих сплавов на цифровом микроскопе «Микровизор».
6. По результатам исследований сделать выводы и написать отчет по работе.
Содержание отчета
Отчет по работе должен включать:
– описание цели и методики проведения исследований;
- эскиз экспериментальной установки для определения критических точек методом простого термического анализа;
- кривые нагрева и охлаждения сплава с 13% Sb; все кривые охлаждения анализируемых сплавов;
- построенную диаграмму равновесия сплавов Pb – Sb;
- микроструктуры просмотренных в микроскопе сплавов;
- выводы по работе.
Контрольные вопросы
1. Расскажите, в чем заключается процесс кристаллизации.
2. Как во времени протекает процесс кристаллизации?
3. Объясните, что собой представляют кристаллиты, или зерна.
4. Расскажите, что представляет собой сплав, что такое компоненты и фазы.
5. Опишите виды сплавов по типу взаимодействия компонентов.
6. Чем отличаются твердые растворы внедрения и замещения?
7. Что такое дендритная кристаллизация?
8. Что такое зонная плавка и для чего она применяется?
9. Как отличаются первичные кристаллы твердых растворов и химсоединений
(промежуточных фаз)?
10. Чем отличается первичная кристаллизация от эвтектической?
11. Чем отличается экзотермический процесс от эндотермического?
12. Какие тепловые эффекты выявляются при кристаллизации и плавлении?
13. Чем обусловлена форма кривых охлаждения? Покажите на конкретных примерах.
14. Что такое простой термический анализ? В чем он заключается?
15. Для каких процессов применяют простой термический анализ?
16. Что такое дифференциальный термический анализ? В чем он заключается?
17. Для каких процессов применяют дифференциальный термический анализ?
18. Чем обусловлено термическое расширение кристаллов при повышении температуры?
19. С чем связано изменение объема при фазовых и структурных превращениях?
20. Что такое дилатометрический анализ? Для каких целей его применяют?
Список использованной литературы
1. Г. Готтштайн. Физико-химические основы материаловедения. М. Бином. 2011. 400с.
2. Ю.А. Геллер, А.Г. Рахштадт. Материаловедение. Методы анализа, лабораторные
работы и задачи. М. Металлургия. 1989. 456с.
3. К.Г. Шмитт-Томас. Материаловедение для машиностроения. Справочник. М.
Металлургия. 1995. 512с.
4. А.И. Самохоцкий, М.Н. Кунявский. Лабораторные работы по металловедению и
термической обработке металлов. М. Машиностроение. 1981. 174с.
5. Б.Г. Гринберг, Т.М. Иващенко. Металловедение и термическая обработка. Руководство
к лабораторным занятиям. М. Росвузиздат. 1963.180с.
6. Р.Н. Худокормова, Ф.И. Пантелеенко. Материаловедение. Лабораторный практикум.
Минск. Выш. шк. 1988. 224с.
7. А.П. Гуляев. Металловедение. М. Металлургия. 1986. 544с.
Тема № 10
Дата добавления: 2019-01-14; просмотров: 524; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!