практикум по кмвед

5. ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ПЕРВИЧНОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Цель работы: изучить процесс формирования кристаллов при переходе вещества из жидкого состояния в твёрдое.

Приборы и оборудование: водный раствор хлористого аммония, микроскоп типа МБС-9, предметное стекло, фрагменты слитка сурьмы с продольным и поперечным изломами.

5.1. Краткие теоретические сведения

Кристаллизацией называется переход металла при определенной температуре из жидкого состояния в твёрдое. Рассмотрим энергетические условия этого процесса.

Энергетическое состояние любой системы характеризуется определенным запасом внутренней энергии. Та часть энергии, которая в изотермических условиях может быть превращена в работу, называется свободной: Е = U – T S, где U – полная внутренняя энергия системы; Т – температура; S – энтропия. Чем меньше свободная энергия системы, тем она более устойчива.

Согласно второму закону термодинамики, всякая система стремится к более устойчивому состоянию, т. е. к минимальному значению свободной энергии. Любой самопроизвольно текущий процесс идет только в том случае, если новое состояние более устойчиво. Переход вещества в жидкое состояние и наоборот также подчиняется этому закону: если меньшей свободной энергией обладает твёрдое тело, то идет процесс кристаллизации и, наоборот, при меньшей свободной энергии жидкого состояния – плавление.

Зависимость изменения свободной энергии металла в жидком и твёрдом состояниях от температуры приведена на рис. 5.1. С увеличением температуры величина свободной энергии как жидкой, так и твёрдой фаз уменьшается, но законы изменения различны.

При температуре Тs свободная энергия твёрдой и жидкой фаз равны, что даёт возможность их одновременного существования. Такая температура называется равновесной. Чтобы начался процесс кристаллизации необходима разность свободных энергий Е1 твёрдой и жидкой фаз. В соответствии с этим температура Ткр соответствует температуре кристаллиза-

32

34

являются местами образования различных дефектов – пустот, неметаллических включений и т. д.

Четвёртая зона 4 – усадочная раковина. Жидкий металл имеет больший объём, чем закристаллизовавшийся, поэтому залитый в изложницу металл в процессе кристаллизации сокращается в объеме, что приводит к образованию пустот, называемых усадочными раковинами, которые могут быть сконцентрированы в одном месте, либо рассеяны по всему объёму слитка или его части.

5.2. Порядок выполнения работы

Исследовать процесс кристаллизации реального стального сплава визуально в условиях учебной лаборатории практически невозможно. Поэтому процесс образования кристаллов в настоящей работе изучается на примере кристаллизации водного раствора соли хлористого аммония (NH3CL) с помощью бинокулярного микроскопа МБС-9.

После нанесения капли раствора на предметное стекло начинается процесс испарения воды, приводящий к кристаллизации раствора и выпадению кристаллов. Раствор хлористого аммония позволяет наблюдать процесс роста дендритных кристаллов. При этом нужно обратить внимание на последовательность развития кристаллов, направление их роста, искажение формы при взаимном их соприкосновении.

Исследуя продольный и поперечный излом сурьмы, нужно выявить все зоны кристаллизации, которые образуются при кристаллизации металлического слитка.

5.3. Содержание отчёта

1.Описание цели работы.

2.Рисунок затвердевшей капли хлористого аммония.

3.Рисунки продольного и поперечного сечения слитка сурьмы с указанием зон кристаллизации.

4.Выводы.

36

38

Рекристаллизационный отжиг проводится при температуре 650…700 оС.

Время выдержки зависит от габаритов заготовки. Цель такого отжига – устранение наклёпа и повышение пластичности. Используется перед холодной обработкой давлением и как промежуточная операция для снятия наклёпа в деталях, прошедших холодную обработку давлением.

Отжиг для снятия остаточных напряжений необходим для изделий, в

которых после предшествующих технологических операций (обработка резанием, сварка и др.) возникли остаточные напряжения. При этом виде отжига производится нагрев до 160…700 оС с выдержкой 2,5…3 мин на 1 мм толщины сечения.

Полный отжиг заключается в нагреве доэвтектоидной стали на 30…50 оС выше температуры, соответствующей точке Ас3, выдержке для полного завершения фазовых превращений и последующем медленном охлаждении. В результате полного отжига получается мелкозернистая структура, обеспечивающая вязкость и пластичность.

Неполный отжиг отличается от полного тем, что нагрев производится до температуры на 10…30 оС выше точки Ас1. Неполный отжиг для доэвтектодных сталей применяется тогда, когда требуется только снижение твёрдости. Заэвтектоидные стали подвергаются только неполному отжигу.

Нормализация заключается в нагреве стали до температуры Ас3 + (30…50) оС или Аст + (30…50) оС, выдержке для прогрева и завершения фазовых превращений и охлаждения на воздухе. Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье, прокате, ковке или штамповке. Нормализация широко используется для улучшения свойств стальных отливок вместо закалки и отпуска.

Закалка заключается в нагреве доэвтектодных сталей до температур на 30…50 оС выше Ас3 (полная закалка), а заэвтектоидных – на 30…50 оС выше Ас1 (неполная закалка). Неполная закалка доэвтектоидных сталей Ас1 + (30…50) оС и полная заэвтектоидных Аст + (30…50) оС, как правило, не производится. После нагрева и выдержки сталь охлаждается со скоростью не ниже критической.

Для получения различных структур при закалке изделия охлаждают с различной скоростью, которая зависит от охлаждающей среды, формы изделия и теплопроводности стали. Охлаждающая способность различных сред представлена в табл. 6.1.

40