Контрольна робота 1 Варіант 4

Опишіть фізичну сутність та механізм процесу кристалізації

Будь-яка речовина може бути в трьох агрегатних станах: твердому, рідкому, газоподібному. Можливий перехід з одного стану в інший, якщо новий стан в нових умовах є більш стійким, має менший запас енергії. Зі зміною зовнішніх умов вільна енергія змінюється за складним законом по-різному для рідкого та кристалічного станів. Характер зміни вільної енергії рідкого та твердого станів зі зміною температури показаний на малюнку 1.

Малюнок 1 –Зміна вільної енергії залежно від температури Відповідно до цієї схеми вище температури ТS речовина повинна перебувати в рідкому стані, а нижче ТS – у твердому. При температурі рівної ТS рідка і тверда фаза мають однакову енергію, метал в обох станах знаходиться в рівновазі, тому дві фази можуть існувати одночасно нескінченно довго. Температура ТS – рівноважна чи теоретична температура кристалізації. Для початку процесу кристалізації необхідно, щоб процес був термодинамічно вигідний системі та супроводжувався зменшенням вільної енергії системи. Це можливо при охолодженні рідини нижче за температуру ТS. Температура, коли він практично починається кристалізація називається фактичної температурою кристалізації. Охолодження рідини нижче рівноважної температури кристалізації називається переохолодженням, яке характеризується ступенем переохолодження (ΔТ): ΔТ = Ттеор-Ткр. Ступінь переохолодження залежить від природи металу, від ступеня його забрудненості (що чистіший метал, тим більший ступінь переохолодження), від швидкості охолодження (що вища швидкість охолодження, тим більший ступінь переохолодження). При нагріванні всіх кристалічнихтіл спостерігається чітка межа переходу з твердого стану рідке. Така сама межа існує при переході з рідкого стану в твердий. Кристалізація – це процес утворення ділянок кристалічних грат в рідкій фазі і зростання кристалів з центрів, що утворилися. Процес переходу металу з рідкого стану в кристалічний можна зобразити кривими в координатах час - температура. Крива охолодження чистого металу представлена малюнку 2.

Малюнок 2 – Крива охолодження чистого металу

Ттеор – теоретична температура кристалізації; Ткр - фактична температура кристалізації. Процес кристалізації чистого металу: До точки 1 охолоджується метал у рідкому стані, процес супроводжується плавним зниженням температури. На ділянці 1 - 2 йде процес кристалізації, що супроводжується виділенням тепла, яке називається прихованою теплотою кристалізації. Воно компенсує розсіювання теплоти у простір, і тому температура залишається постійною. Після закінчення кристалізації у точці 2 температура знову починає знижуватися, метал охолоджується у твердому стані. Механізм кристалізації металів. При відповідному зниженні температури в рідкому металі починають утворюватися кристали - центри кристалізації або зародки. Для початку їх зростання необхідно зменшення вільної енергії металу, інакше зародок розчиняється. Механізм кристалізації представлений малюнку 3.

Малюнок 3 –Модель процесу кристалізації Центри кристалізації утворюються у вихідній фазі незалежно друг від друга у випадкових місцях. Спочатку кристали мають правильну форму, але в міру зіткнення та зрощення з іншими кристалами форма порушується. Зростання продовжується у напрямках, де є вільний доступживильного середовища. Після закінчення кристалізації маємо полікристалічне тіло. Таким чином, процес кристалізації складається з утворення центрів кристалізації та зростання кристалів з цих центрів. У свою чергу, число центрів кристалізації (ч.ц.) та швидкість зростання кристалів (с.р.) залежать від ступеня переохолодження (рисунок 4).

Малюнок 4 - Залежність числа центрів кристалізації (а) і швидкості зростання кристалів (б) від ступеня переохолодження Розміри кристалів, що утворилися, залежать від співвідношення числа утворених центрів кристалізації і швидкості росту кристалів при температурі кристалізації. При рівноважній температурі кристалізації ТS кількість центрів кристалізації, що утворилися, і швидкість їх зростання дорівнюють нулю, тому процесу кристалізації не відбувається. Якщо рідина переохолодити до температури, що відповідає т. а, то утворюються великі зерна (кількість центрів, що утворилися, невелика, а швидкість зростання - велика). При переохолодженні до відповідної температури т. в – дрібне зерно (утворюється велика кількість центрів кристалізації, а швидкість їх зростання невелика). Якщо метал дуже сильно переохолодити, то число центрів і швидкість зростання кристалів дорівнюють нулю, рідина не кристалізується, утворюється аморфне тіло. Для металів, що мають малу схильність до переохолодження, експериментально виявляються тільки висхідні гілки кривих.

Для чого проводиться рекристалізаційний відпал? Як призначається режим цього виду обробки? Наведіть кілька конкретних прикладів. Рекристалізація – процес зародження та зростання нових недеформованих зерен при нагріванні наклепаного металу до певної температури. Рекристалізаційний відпал використовують у промисловості як початкову операцію перед холодноюобробкою тиском (для надання матеріалу найбільшої пластичності), як проміжний процес між операціями холодного деформування (для зняття наклепу) та як остаточну (вихідну) термічну обробку (для надання напівфабрикату або виробу необхідних властивостей). Нагрів деформованого металу веде до підвищення рухливості атомів, і серед витягнутих зерен йде інтенсивне зародження і зростання нових рівноважних вільних від напруги зерен. Нові зерна ростуть за рахунок старих, витягнутих, до зіткнення один з одним і до повного зникнення витягнутих зерен. При нагріванні після досягнення температури початку рекристалізації межа міцності і особливо плинності різко знижуються, а пластичність збільшується. Для усунення наклепу необхідний відпал. Основні цілі відпалу: перекристалізація сталі (подрібнення зерна), зняття внутрішніх напруг, зниження твердості та поліпшення оброблюваності. Найменшу температуру початку рекристалізації, при якій протікає рекристалізація і відбувається розміцнення металу, називають температурним порогом рекристалізації. Ця температура перестав бути постійної фізичної величиною. Для даного металу (сплаву) вона залежить від тривалості нагріву, ступеня попередньої деформації, величини зерна до деформації і т.д. .А.Бочвара), для чистих металів знижується до (0,1. 0,2) Тпл, а для сплавів твердих розчинів зростає до (0,5. 0,6) Тпл. Для вуглецевих сталей з 0,08 - 0,2% С, що часто піддаються холодній деформації (прокатці, штампування, волочіння), температура відпалу знаходиться в інтервалі 680 - 700 °С. Відпал каліброваних прутків (холодна протяжка) звисоковуглецевої легованої сталі проводять при 680 - 740 ° С протягом 0,5 - 1,5 ч. Так, наприклад, температура початку рекристалізації свинцю: Tн.к. 273=-33°C. Таким чином, кімнатна температура перевищує температуру початку рекристалізації свинцю.

Викресліть діаграму стану залізо-карбіду заліза, вкажіть структурні складові у всіх галузях діаграми, опишіть перетворення і побудуйте криву охолодження (із застосуванням правила фаз) для сплаву, що містить 0,4% С. Яка структура цього сплаву при кімнатній температурі і як такий сплав називається? Первинна кристалізація сплавів системи залізо-вуглець починається після досягнення температур, відповідних лінії ABCD (лінії ліквідус), і закінчується при температурах, що утворюють лінію AHJECF (лінію солідус).