Практическая работа №4. Изучение процесса кристаллизации металлов. Порядок выполнения работы. Теоретические сведения

Практическая работа №4

Изучение процесса кристаллизации металлов

Цель работы: изучить механизм кристаллизации металлов, энергетические условия протекания процесса кристаллизации.

Порядок выполнения работы

Изучить теоретические сведения и письменно ответить на контрольные вопросы.

Теоретические сведения

Общее свойство металлов и сплавов - их кристаллическое строение, которое характеризуется определенным расположением атомов в пространстве. Для описания атомно-кристаллической структуры применяют понятие кристаллической ячейки - наименьшего объема, трансляция которого по всем измерениям может полностью воспроизвести структуру кристалла. В реальном кристалле атомы или ионы сближены друг с другом до состояния непосредственного соприкосновения, но для простоты их заменяют схемами, где центры притяжения атомов или ионов изображены точками; наиболее характерные для металлов ячейки показаны на рис. 1.1.

Рис.1.1. Типы кристаллических решеток и расположение в них атомов:

а) гранецентрированная (ГЦК), б) объемноцентрированная (ОЦК),

в) гексагональная плотноупакованная (ГПУ).

Любое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном, а переход из одного состояния в другое происходит при определенной температуре и давлении. Большинство технологических процессов происходит при атмосферном давлении, тогда фазовые переходы характеризуются температурой кристаллизации (плавления), и кипения (испарения).

При увеличении температуры твердого тела растет подвижность атомов в узлах кристаллической ячейки, увеличивается их амплитуда колебаний. При достижении температуры плавления энергии атомов становится достаточно, чтобы покинуть ячейку - она разрушается с образованием жидкой фазы.

Обратная картина имеет место при охлаждении жидкости с ее дальнейшим затвердеванием. Вблизи температуры плавления образуются группы атомов, упакованных в ячейки, как в твердом теле. Эти группы являются центрами (зародышами) кристаллизации, на них потом нарастает слой кристаллов. При достижении той же температуры плавления материал переходит в жидкое состояние с образованием кристаллической решетки.

Кристаллизация - переход металла из жидкого состояния в твердое при определенной температуре. Кристаллизация является примером фазового перехода вещества и сопровождается выделением теплоты. Процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов: зарождения центров кристаллизации и роста кристаллов из этих центров. Кристаллизация начинается при достижении определенного условия — переохлаждения расплава, когда мгновенно образуется множество мелких кристаллов — центров кристаллизации (рис. 1.2, а—б). Кристаллы растут, присоединяя все новые атомы из расплава. Рост граней кристаллов происходит послойно. Зависимость кристаллизации от условий роста, скорости охлаждения приводит к разнообразию форм и структуры кристаллов (многогранные, пластинчатые, игольчатые, дендритные и др.). Когда кристаллы начинают соприкасаться друг с другом в ограниченном пространстве, их форма искажается (рис. 1.2, в). Последней стадией кристаллизации является образование зерен, или кристаллитов (рис. 1.2 г)

Рис. 1.2. Механизм кристаллизации (образование центров кристаллизации, искажение формы кристаллов, образование зерен).

Рис. 1.3 Дендритный кристалл

На кристаллизацию жидкого металла существенное влияние оказывает скорость охлаждения и количество примесей в расплаве. В местах наибольшего охлаждения образуются дендриты — древовидные кристаллы.(рис1.3) Такой кристалл формируется постепенно. Сначала вырастает основная ось с отростками в виде крестов, расположенных перпендикулярно к ней. На этой оси и отростках кристаллизуется металл, находящийся в жидком состоянии, заполняет пустоты, постепенно охлаждается и в результате получается один большой кристалл. Соприкасаясь со стенками изложницы, металл быстро охлаждается, образуя корку, состоящую из мелких кристаллов, поскольку из-за большой скорости охлаждения они не успевают вырасти до больших размеров (первая зона кристаллизации). По направлению к оси изложницы охлаждение расплава происходит медленнее, в результате появляются крупные столбчатые (радиальные) кристаллы, формируемые правильно ориентированными, перпендикулярно к стенке изложницы. Желательно, чтобы таких кристаллов было как можно меньше, поскольку при дальнейшей обработке слитка (ковки и прокатке) вдоль их плоскостей соприкосновения образуются трещины в металле. На этом заканчивается вторая зона кристаллизации. Далее металл кристаллизуется в осевой части слитка (третья зона кристаллизации). Образуются крупные равноосные беспорядочно расположенные кристаллы. Причиной этого является снижение скорости охлаждения и изменение направленности отвода теплоты.

На рис. 1.4. показано строение стального слитка, в котором можно выделить все три характерные зоны: мелкозернистую 1, зону столбчатых кристаллов 2 и зону равновесных кристаллов 3.

Рис. 1.4. Строение стального слитка

Контрольные вопросы

1. Зарисовать и подписать наиболее характерные для металлов ячейки.

2. Что происходит при увеличении температуры твердого тела и при охлаждении жидкости?

3. Какой процесс называется кристаллизацией из каких процессов она состоит? Отчего зависит скорость кристаллизации ?

4. Зарисуйте и опишите механизм кристаллизации металла.

5. Чем вызвана дендритная форма кристаллов? Нарисуйте и опишите строение стального слитка, в котором можно выделить три характерные зоны.