Документ (3). Методический материал по лабораторной работе "кристаллизация металлов и сплавов"
 Скачать 23.31 Kb.
|
Методический материал по лабораторной работе "КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ"КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ Цель работы: Изучить процесс кристаллизации металлов и сплавов. 1. Краткие теоретические сведения Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией. Кристаллизация протекает в условиях, когда система переходит к термодинамически более устойчивому состоянию с меньшей энергией Гиббса (свободной энергией) G , т.е. когда энергия Гиббса кристалла меньше, чем энергия Гиббса жидкой фазы. Если превращение происходит с небольшим изменением обьема, то G = Е – ТS, где Е – полная энергия (внутренняя энергия фазы); Т – абсолютная температура; S – энтропия. Изменение энергии Гиббса металла в жидком и твердом состоянии в зависимости от температуры показано на рисунке 9. При температуре выше температуры превращения (Тп) более устойчив жидкий металл, имеющий меньший запас свободной энергии, а ниже Тп – устойчив твердый металл. При температуре Тп значения энергий Гиббса металла в жидком и твердом состояниях равны. Температура Тп соответствует равновесной температуре кристаллизации (или плавления) данного вещества, при которой обе фазы (жидкая и твердая) могут сосуществовать одновременно. Процесс кристаллизации при этой температуре еще не начинается, а начинается, тогда, когда возникает разность энергий Гиббса (ΔG), образующаяся вследствие меньшей энергии Гиббса твердого металла по сравнению с жидким. Следовательно, процесс кристаллизации может протекать только при переохлаждении металла ниже равновесной температуры Тп. Разность между температурами Тп и Тк, при которых может протекать процесс кристаллизации, носит название степени переохлаждения: ΔТ = Тп – Тк. Переход сплава из жидкого состояния в твердое, как и при кристаллизации чистых металлов, протекает только при наличии некоторого переохлаждения, когда энергия Гиббса жидкой фазы оказывается выше энергии Гиббса твердой фазы.  Рисунок 1. Изменение энергии Гиббса металла в жидком (Gж) и твердом (Gт) состояниях в зависимости от температуры (Тк – температура, при которой происходит кристаллизация) Процесс затвердевания протекает в результате образования центров кристаллизации (зародышей) и последующего их роста в виде дендритных или полногранных кристаллитов. Любые твердые фазы, образующиеся в жидком сплаве, отличаются по составу от исходного жидкого раствора, поэтому для образования устойчивого зародыша необходимы не только гетерогенные флуктуации, но и флуктуации концентрации. Флуктуациями концентрации называют временно возникшие отклонения химического состава сплава в отдельных малых объемах жидкого раствора от среднего его состава. Такие флуктуации возникают вследствие диффузионного превращения атомов вещества в результате тепловых движений в жидком растворе. Русский ученый Д.К. Чернов, изучая структуру литой стали, указал, что процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов. Первый процесс заключается в зарождении мельчайших частиц кристаллов, которые Чернов назвал зачатками, а теперь их называют зародышами, или центрами кристаллизации. Второй процесс состоит в росте кристаллов из этих центров. Рассмотрение схем кристаллизации позволяет объяснить два момента: 1) по мере развития процесса кристаллизации в нем участвует все большее и большее число кристаллов. Поэтому процесс вначале ускоряется, пока в какой-то момент взаимное столкновение растущих кристаллов не начинает заметно препятствовать их росту; 2) в процессе кристаллизации, пока кристалл окружен жидкостью, он часто имеет правильную форму, но при столкновении и срастании кристаллов их правильная форма нарушается, внешняя форма кристалла оказывается зависимой от условий соприкосновения растущих кристаллов. Зародыш новой фазы может возникнуть только в тех микрообъемах исходной фазы, состав которых в результате флуктуации концентрации и расположения атомов соответствует составу и строению новой кристаллизующей фазы. Если при этом концентрационные флуктуации соответствуют микрообъемам, имеющим размер меньше критического, возникает устойчивый зародыш, способный к росту. Самопроизвольное образование зародышей на основе фазовых и энергетических флуктуаций может проходить только в высокочистом жидком металле при больших степенях переохлаждения. Чаще источником образования зародышей являются всевозможные твердые частицы, которые всегда присутствуют в расплаве. Если частицы примеси имеют одинаковую кристаллическую решетку с решеткой затвердевающего металла, и параметры сопрягающихся решеток примесей и кристаллизующегося вещества примерно одинаковы, то они играют роль готовых центров кристаллизации. Структурное сходство между поверхностями сопряжения зародыша и частицы посторонней примеси приводит к уменьшению размера критического зародыша, работы его образования, и затвердевание жидкости начинается при меньшем переохлаждении, чем при самопроизвольном зарождении. Чем больше примесей, тем больше центров кристаллизации, тем мельче получается зерно. Такое образование зародышей называют гетерогенным. Модифицирование – использование специально вводимых в жидкий металл примесей для получения мелкого зерна по описанному выше механизму. Эти примеси, практически не изменяя химического состава сплава, вызывают при кристаллизации измельчение зерна и в итоге улучшение механических свойств. Процесс перехода металла из жидкого состояния в кристаллическое можно изобразить кривыми в координатах "время – температура" (рисунок 2).  Рисунок 2. Схема кристаллизации металла (кривые охлаждения при кристаллизации) Охлаждение металла в жидком состоянии сопровождается плавным понижением температуры и может быть названо простым охлаждением, так как при этом нет качественного изменения состояния. При достижении теоретической температуры кристаллизации (ТS) на кривой появляется горизонтальная площадка, так как отвод тепла компенсируется выделяющейся при кристаллизации скрытой теплотой кристаллизации. Теоретически процесс кристаллизации изображается кривой 1. При ТS начинается процесс кристаллизции, который продолжается определенное время от τ1 до τ2. Кривая 2 показывает реальный процесс кристаллизации. Жидкость непрерывно охлаждается до температуры переохлаждения Тп, лежащей ниже теоретической температуры кристаллизации. При охлаждении ниже ТS создаются энергетические условия, необходимые для протекания процесса кристаллизации. В реальных условиях при кристаллизации слитка могут получиться кристаллы самых разнообразных форм и размеров. Это зависит от условий охлаждения слитка, а также от того, с какой температурой металл попадает в изложницу и какова была температура перегрева сплава, от скорости отвода тепла и т.д. Чаще всего при кристаллизации металлов и солей образуется дендритная структура. (Дендрит – древовидный кристалл). В реальных металлических слитках дендриты имеют правильную форму. Кристаллы неправильной формы называются зернами или кристаллитами. Обычно слиток состоит из трех зон, каждая из которых характеризуется особым расположением зерен (рисунок 3), образовавшихся при различных условиях охлаждения.  Рисунок 3. Схема строения стального слитка Первая зона (1) – наружная мелкозернистая корка, состоящая из дезориентированных мелких кристаллов – дендритов. Вторая зона (2) – зона столбчатых кристаллов. Их форма определяется направлением отвода тепла. Третья зона (3) – зона равноосных кристаллов. Центрами кристаллизации являются мельчайшие включения, не растворившиеся в жидком металле. 2. Методика выполнения работы Процесс образования кристаллов в настоящей работе изучается на примере кристаллизации солей из водных растворов (NaCl, NH4Cl, K2Cr2O7) с помощью биологического микроскопа. После нанесения капли раствора на предметное стекло начинается процесс испарения воды, приводящий к выпадению кристаллов. На примере кристаллизации NaCl можно проследить процесс образования и роста кристаллов правильной формы, а также влияние примесей на форму и число центров кристаллизации. Кристаллизация раствора NH4Cl позволяет наблюдать процесс роста дендритных кристаллов. (Обратить внимание на динамику их роста). Раствор K2Cr2O7 служит моделью, позволяющей проследить рост столбчатых кристаллов. 3. Порядок выполнения работы 1. Нанести с помощью пипетки каплю раствора на предметное стекло. 2. Поместив стекло c каплей под объектив микроскопа, получить резкое изображение края капли (капли растворов K2Cr2O7, Pb(NO3)2 необходимо предварительно подогреть до выпаривания воды). 3. Наблюдать за ростом кристаллов. Зарисовать в отчете кристаллы на нескольких последовательных стадиях роста. 4. Выполнить вышеуказанные задания для каждого раствора. |