Основные закономерности процесса кристаллизации

Тема: Основные закономерности процесса кристаллизации.

            

      СОДЕРЖАНИЕ 
 
 
 
 
 
 

1.         Основные закономерности процесса кристаллизации. Влияние примесей и условий переохлаждения на процесс кристаллизации металлов.

 
 

2. Процессы, происходящие в металле при упругой и пластической деформации.

 
 

3.         Классификация видов  термической обработки.  Назначение каждого  вида.

 
 

4.         Влияние различных  видов термической  обработки на свойства  конструкционной  стали.

 
 

5.         Требования, предъявляемые  к подшипниковым сплавам. Сплавы, их структура и свойства.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.          Основные закономерности процесса кристаллизации. Влияние примесей и условий переохлаждения на процесс кристаллизации металлов. 
 
 

При соответствующем  понижении температуры в жидком металле начинают образовываться кристаллики – центры кристаллизации или зародыши. Для начала их роста необходимо уменьшение свободной энергии металла, в противном случае зародыш растворяется.

Минимальный размер способного к росту зародыша называется критическим размером, а зародыш – устойчивым.

Переход из жидкого  состояния в кристаллическое  требует затраты энергии на образование  поверхности раздела жидкость –  кристалл. Процесс кристаллизации будет  осуществляться, когда выигрыш от перехода в твердое состояние больше потери энергии на образование поверхности раздела. Зависимость энергии системы от размера зародыша твердой фазы представлена на рис. 3.3.

Зародыши с  размерами равными и большими критического растут с уменьшением  энергии и поэтому способны к существованию.

Рис.3.3. Зависимость  энергии системы от размера зародыша твердой фазы  

Механизм кристаллизации представлен на рис.3.4.

Рис.3.4. Модель процесса кристаллизации  

Центры кристаллизации образуются в исходной фазе независимо друг от друга в случайных местах. Сначала кристаллы имеют правильную форму, но по мере столкновения и срастания с другими кристаллами форма нарушается. Рост продолжается в направлениях, где есть свободный доступ питающей среды. После окончания кристаллизации имеем поликристаллическое тело.

Качественная  схема процесса кристаллизации может быть представлена количественно кинетической кривой (рис.3.5).

Рис. 3.5. Кинетическая кривая процесса кристаллизации  

Процесс вначале  ускоряется, пока столкновение кристаллов не начинает препятствовать их росту. Объем жидкой фазы, в которой образуются кристаллы уменьшается. После кристаллизации 50 % объема металла, скорость кристаллизации будет замедляться.

Таким образом, процесс кристаллизации состоит из образования центров кристаллизации и роста кристаллов из этих центров.

В свою очередь, число центров кристаллизации (ч.ц.) и скорость роста кристаллов (с.р.) зависят от степени переохлаждения (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Зависимость  числа центров кристаллизации (а) и скорости роста кристаллов (б) от степени переохлаждения  

Размеры образовавшихся кристаллов зависят от соотношения числа образовавшихся центров кристаллизации и скорости роста кристаллов при температуре кристаллизации.

При равновесной  температуре кристаллизации Т_S число образовавшихся центров кристаллизации и скорость их роста равняются нулю, поэтому процесса кристаллизации не происходит.

Если жидкость переохладить до температуры, соответствующей  т.а, то образуются крупные зерна (число образовавшихся центров небольшое, а скорость роста – большая).

При переохлаждении до температуры соответствующей  т.в – мелкое зерно (образуется большое число центров кристаллизации, а скорость их роста небольшая).

Если металл очень сильно переохладить, то число  центров и скорость роста кристаллов равны нулю, жидкость не кристаллизуется, образуется аморфное тело. Для металлов, обладающих малой склонностью к переохлаждению, экспериментально обнаруживаются только восходящие ветви кривых. 

Влияние переохлаждения на процесс  кристаллизации

Скорость процесса кристаллизации и строение металла  после затвердевания зависят  от числа зародышей ч.з. (центров кристаллизации), возникающих в единицу времени и в единице объема, то есть от скорости образования зародышей [1/см³с] и скорости роста с.р. зародышей (увеличения линейных размеров растущего зародыша в единицу времени (мм/с).

Чем больше скорость образования зародышей и чем больше скорость их роста, чем выше эти факторы, тем быстрее протекает процесс кристаллизации.

При Т_П - ч.з. и с. р. равны нулю, и поэтому процесс кристаллизации не происходит.

С увеличением  степени переохлаждения ч.з. и с.р. возрастают, при определенной ?Т достигают максимума, после чего снижаются (рис. 7).

Рисунок 7. Зависимость  параметров кристаллизации ч.з. и с.р. от степени переохлаждения

В условиях когда ?Т₁ ?Т₂ ?Т₃ будет получено:

при ?Т₁ - крупное зерно;

?Т₂ - чуть мельче;

?Т₃ - максимальное измельчение структуры.

С увеличением ?Т  скорость образования зародышей, а  следовательно, их число возрастают быстрее, чем скорость роста, это  объясняется диффузиционными процессами, которые замедляются при низких температурах (больших ? Т).

Чем больше скорость образования зародышей (ч.з.) и меньше скорость их роста, тем меньше размер кристалла (зерна), выросшего из зародыша, структура металла будет мелкозернистой.

Величина зерна  определяется:

S = 1,1 (с.р./ч.з.)^3/4

При малой ?Т  число зародышей мало, получено будет крупное зерно.

С увеличением ?Т  число зародышей возрастет (скорость образования зародышей) и размер зерна металла уменьшается.

Зерно металла (его  размер) влияет на пластичность и вязкость. Чем меньше размер зерна, тем выше эти свойства у металлов. 

Влияние примесей на процесс  кристаллизации

Часто источником образования зародышей являются всевозможные твердые частицы (примеси - неметаллические включения, окислы и т.д.). Частицы примеси должны иметь одинаковую кристаллическую решетку с затвердевающим металлом, параметры решетки могут отличаться не более чем на 9%.

Наличие примесей приводят и уменьшают размер R_к, работы его образования, затвердевание жидкости начинается при меньшем ?Т, чем при самопроизвольном зарождении.

Чем больше примесей, тем больше центров кристаллизации, тем мельче получается зерно (гетерогенное образование зародышей).

Примеси делятся:

1) влияющие на  число зародышей (взвешенные примеси);

2) изменяющие  свободную энергию системы (растворенные  примеси в жидком металле - при затвердевании осаждаются в виде тонкого слоя на поверхности растущего кристалла, что приводит к уменьшению поверхностной энергии);

Модифицирование - использование специально вводимых в жидкий металл примесей (модификаторов) для получения мелкого зерна по описанному выше механизму.

Эти примеси  не изменяют химического состава  сплава, но измельчают зерно, улучшая  свойства металла.

Виды примесей:

1) тугоплавкие  соединения (влияют на число центров  кристаллизации - ТiC, VC, VN, NbC, Al₂O₃ - нитриды, карбиды, оксиды - кристаллизуются в первую очередь); для стали применяют - Al, V, Ti;

2) поверхность  активные модификаторы: для никелевых  и железных сплавов - В (бор), для чугуна Мg (магний). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.  Процессы, происходящие в металле при упругой и пластической деформации. 
 

Деформация –  это изменение формы и размеров тела, деформация может вызываться воздействием внешних сил, а также  другими физико-механическими процессами, которые происходят в теле. К деформациям  относятся такие явления, как сдвиг, сжатие, растяжение, изгиб и кручение.

Упругая деформация – это деформация, которая исчезает после снятия нагрузки. Упругая деформация не вызывает остаточных изменений в  свойствах и структуре металла; под действием приложенной нагрузки происходит незначительное обратимое смещение атомов.

При растяжении монокристалла возрастают расстояния между атомами, а при сжатии атомы  сближаются. При смещении атомов из положения равновесия нарушается баланс сил притяжения и электростатического  отталкивания. После снятия нагрузки смещенные атомы из-за действия сил притяжения или отталкивания возвращаются в исходное равновесное состояние и кристаллы приобретают первоначальные размеры форму.

Деформация может  быть упругой, исчезающей после снятия нагрузки, и пластической, остающейся после снятия нагрузки.

Самое малое  напряжение вызывает деформацию, причем начальные деформации являются всегда упругими и их величина находится  в прямой зависимости от напряжения. Основными механическими свойствами являются прочность, пластичность, упругость.

Важное значение имеет пластичность, она определяет возможность изготовления изделий  различными способами обработки  давлением. Эти способы основаны на пластическом деформировании металла.

Материалы, которые  имеют повышенную пластичность, менее чувствительны к концентраторам напряжений. Для этого проводят сравнительную оценку различных металлов и сплавов, а также контроль их качества при изготовлении изделий.

Физическая природа  деформации металлов

Под действием  напряжений происходит изменение формы и размеров тела. Напряжения возникают при действии на тело внешних сил растяжения, сжатия, а также в результате фазовых превращений и некоторых других физико-химических процессов, которые связанны с изменением объема. Металл, который находится в напряженном состоянии, при любом виде напряжения всегда испытывает напряжения нормальные и касательные, деформация под действием напряжений может быть упругой и пластической. Пластическая происходит под действием касательных напряжений.

Упругая – это  такая деформация, которая после прекращения действия, вызвавшего напряжение, исчезает полностью. При упругом деформировании происходит изменение расстояний между атомами в кристаллической решетке металла.

С увеличением  межатомных расстояний возрастают силы взаимного притяжения атомов. При снятии напряжения под действием этих сил атомы возвращаются в исходное положение. Искажение решетки исчезает, тело полностью восстанавливает свою форму и размеры. Если нормальные напряжения достигают значения сил межатомной связи, то произойдет хрупкое разрушение путем отрыва. Упругую деформацию вызывают небольшие касательные напряжения.

Пластической  называется деформация, остающаяся после  прекращения действия вызвавших  ее напряжений. При пластической деформации в кристаллической решетке металла под действием касательных напряжений происходит необратимое перемещение атомов. При небольших напряжениях атомы смещаются незначительно и после снятия напряжений возвращаются в исходное положение. При увеличении касательного напряжения наблюдается необратимое смещение атомов на параметр решетки, т. е. происходит пластическая деформация.