МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ИЖЕВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ

АКАДЕМИЯ»

Кафедра «Материаловедение и технология конструкционных материалов»

УТВЕРЖДАЮ

Проректор по учебной работе,

профессор П.Б. Акмаров

«___»_______________2009 г.

Лабораторная работа

ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Методическое пособие для студентов Агроинженерного факультета подготовки инженеров и бакалавров специальностей:

:

ФМСХ, ФЭАСХ, ФМПСХП, ТОРМ

Ижевск 2009 г

УДК 621.9.02.(031)

ББК 34.63-56я2

Г 35

Методическое пособие составлено на основе Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования, утвержденного 05.04.2000 г.

Рассмотрено и рекомендовано к изданию кафедрой МТКМ, протокол № ___ от ____ 2008 г. рекомендовано к изданию методической комиссией факультета механизации сельского хозяйства ФГОУ ВПО «Ижевская ГСХА», протокол № __ от ____ 2008 г.

Рецензент:

Кандидат технических наук, заведующий кафедрой МСХ

Широбоков В.И.

Составители:

кандидат технических наук, доцент кафедры РМТКМ

Дронзиков В.А.

Изучение процессов кристаллизации металлов и сплавов. Лабораторная работа по курсу «Металловедение»./Сост.: Г35 Дронзиков В.А. г. Ижевск: РИО ИжГСХА, 2009 г.

В пособии кратко приведены основные понятия и закономерности теории сплавов, как основы формирования структуры: размеров, формы, ориентировки зерен и макродефектов кристаллизации. Дана методика лабораторного моделирования процесса кристаллизации. Рассматривается макроструктура и ее дефекты в реальном слитке.

УДК 621.9.02.(031)

ББК 34.63-56я2

©Р ИО ИжГСХА, 2009 г.

©Дронзиков В.А. сост., 2009 г.

Введение

Кристаллизацией называется процесс образования кристаллов как из жидкой фазы (первичная кристаллизация), так и из твердой фазы (вторичная кристаллизация или перекристаллизация). Первым описал процесс кристаллизации русский ученый Чернов Д.К. в 1878 году.

Д.К. Чернов указал, что процесс кристаллизации складывается из двух элементарных процессов: зарождение в жидкости неких мельчайших кристаллических частиц – центров кристаллизации (ЦК) и рост этих частиц. В результате затвердевший металл получает поликристаллическое или, что то же самое, зернистое строение из множества мелких кристаллов – «кристаллитов» или «зерен» с разориентированной по отношению друг к другу кристаллической решеткой. При этом, очевидно общее правило, что, чем больше центров кристаллизации в единице объема металла, тем мельче зерно. Чем мельче зерно тем, как правило, выше комплекс и однородность (изотропия) свойств.

В дальнейшем было установлено, что существует два вида центров кристаллизации и механизмов их образования.

1.Зародыши – представляют собой ЦК, как небольшие частички кристаллических решеток формирующегося металла или сплава, которые могут вырасти в устойчивый кристалл (кристаллит) или разрушиться и объединиться с другими более крупными и потому более устойчивыми, исходя из объективного закона минимума свободной энергии при переходе в более устойчивое состояние.

Таким образом, зародыши формируются только из атомов самого металла или сплава и возникают непосредственно в жидкой фазе. Такое самопроизвольное образование представляет спонтанный механизм кристаллизации. Здесь число ЦК соответствует числу зародышей (ЧЗ). Идеальный пример такого типа кристаллизации – кристаллизация химически чистого (однородного) металла.

2. Примеси. Оказалось, что определенные примеси (твердые включения или пузырьки газов) в тех или иных сплавах способствуют образованию на них и сохранению зародышей а некоторые из них и ограничению роста размеров кристаллов основного металла или сплава. Это могут быть случайные тугоплавкие примеси, которые практически всегда есть в реальных исходных материалах или случайно вносятся в процессе выплавки, стенки форм или специально вводимые с этой целью примеси при легировании сплава – модификаторы. В последнем случае процесс называют модификацией, а сплавы – модифицированными. Эти процессы создают гетерогенный механизм кристаллизации, когда центрами кристаллизации являются посторонние атомы, молекулы или их образования. В реальных условиях всегда работают оба механизма с превалированием того или другого в зависимости от конкретных условий. Однако, гетерогенный процесс не может существовать без спонтанного.

На рисунке 1 представлена экстраполяция кривых зависимости от температуры свободной энергии F_ж для жидкого расплава и F_тв для твердого сплава. Точка пересечения кривых определяет критическую температуру Т_кр перехода сплава из жидкого состояния (справа) в кристаллическое (слева).

Величина переохлаждения представляет собой разницу

ΔΤ

Рис.1.

ΔΤ=Τ_кр- Τ_Φ,

Где Τ_Φ – фактическая температура сплава в данной точке объема сплава.

Τ_кр- критическая температура перехода сплава из жидкого в твердый и обратно

Скорость возникновения зародышей определяется числом зародышей (ЧЗ), возникающих в единице объема (1мм) в единицу времени (с)

Скорость роста кристалла (скорость кристаллизации СК) это линейное перемещение растущей грани кристалла в миллиметрах в мм/с.

Величина получаемых кристаллов зависит от соотношения величин СК и ЧЗ при данной степени переохлаждения (ΔΤ = consl) и может быть выражена формулой:

= ń

где а – некоторое постоянное число.

Итак, при спонтанной кристаллизации число ЦК (ЧЦ) =ЧЗ и зависит от величины переохлаждения ΔΤ, также, как и СК.

Эта зависимость была установлена в начале ХХ в. Русским ученым Г.Тамманом (рис.2),

Таким образом, изменяя степень переохлаждения, можно получить зерна разной величины, а от величин зерен зависят свойства металлов и сплавов.

У металлов и сплавов способность к переохлаждению невелика, она обычно не превышает 10-20⁰С. У них ЧЗ чрезвычайно сильно растет с увеличением переохлаждения.

В реальных условиях при затвердевании больших слитков, величину переохлаждения замерять опытами не удается. Кристаллизация слитка

Рис. 2. Зависимость скорости роста кристаллов (с.к.) и числа центров кристаллизации (ч.ц.) от степени переохлаждения.

начинается на поверхности изложницы и последовательно продвигается до центра. Рост кристаллов в отсутствии переохлаждения возможен только за счет отвода от них теплоты кристаллизации через стенки изложницы в ранее затвердевшие слои, т.е. последовательно.

При затвердевании расплава могут получиться кристаллы разнообразной формы и размеров. Это зависит от условий охлаждения слитка, от температуры перегрева сплава и др. Форма кристаллов, как и размеры, может оказывать существенное влияние на свойства, как самих кристаллитов, так и на весь металл в целом.

Различают по форме равноосные и неравноосные кристаллы. Идеально равноосный кристалл - шар. Реально – это многогранники с примерно равными размерами по трем координатным осям. Неравноосные формы: пластинчатая, игольчатая, столбчатая (призматическая), дендритная.