Лабораторные работы / Лаба Материаловедение 3 Формирование структуры металла при кристаллизации

_{МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ}

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Озерский технологический институт –

филиал федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего

профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

(ОТИ НИЯУ МИФИ)

Кафедра ТМ и МАХП

Лабораторная работа 3

по курсу «Материаловедение»

Преподаватель				Миллер М.А.
Выполнил студент группы	1ТМ-26Д			Сергеев П. С.
	(индекс группы)		(дата, подпись)	(Ф.И.О.)

Озёрск

2017

ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛА ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ.

Цель работы: изучение процесса кристаллизации и структуры технически чистого алюминия.

Приборы, материалы и инструмент: электропечь; изложница; ножовка по металлу; набор напильников; наждачная бумага различной зернистости; вытяжной шкаф; фарфоровая ванна; вата; спирт; набор реактивов.

Ход работы:

1. Расплавим алюминий в электропечи при температуре 680º. Выльем полученный расплав в тонкостенную стальную изложницу. Извлечём полученный остывший слиток для задания следующей подгруппы.

2. Распилим заранее подготовленный слиток, отлитый в толстостенную стальную изложницу, пополам. Обработаем полученную поверхность сечения одной из половин напильниками, наждачной бумагой и на полировальном диске до необходимого состояния.

3. Протравим полученный шлиф 50-% водным раствором соляной кислоты. Промоем шлиф в воде и высушим его фильтровальной бумагой.

Рисунок 1. Кристаллическая структура слитка.

Так как охлаждение слитка происходило в толстостенном кокиле, то слиток имеет на поверхности тонкий мелкозернистый слой. Под ним идёт слой трубчатых кристаллов. В самом центре находятся крупные кристаллы. Также в зоне контакта слитка с воздухом во время кристаллизации присутствуют на поверхности трубчатые зёрна, обусловленные медленным отведением тепла.

Контрольные вопросы:

1. Определение процесса кристаллизации металлов и равновесной температуры кристаллизации.

Кристаллизация – процесс фазового перехода вещества из жидкого состояния в твёрдое кристаллическое с образованием кристаллов.

Равновесная температура кристаллизации – температура, при которой твёрдая и жидкая фазы могут сосуществовать одновременно бесконечно долго.

2. Термодинамические условия протекания процесса кристаллизации.

Для начала кристаллизации необходимо, чтобы процесс был термодинамически выгоден для существования твердой фазы. Это возможно только тогда, когда жидкость будет охлаждена до температуры, меньшей равновесной температуры кристаллизации.

3. Понятия фактической температуры кристаллизации T_к и степени переохлаждения ΔT.

Фактическая температура кристаллизации – температура, при которой практически начинается кристаллизация.

Степень переохлаждения – величина, равная разности между равновесной и фактической температурами кристаллизации.

4. Кривые охлаждения при кристаллизации металла.

5. Изменение свободной энергии системы в зависимости от размера зародыша (построить кривую и объяснить её) и критический размер зародыша.

При переохлаждении в жидкой фазе образуется частица твердой фазы объёмом V. В следствие этого, свободная энергия системы уменьшается на величину ΔVf, где Δf – удельная (отнесенная к единице объема) разность свободных энергий двух фаз. Для образования границы раздела фаз необходимо затратить энергию, равную ϭ*S. Здесь ϭ – межфазовое поверхностное натяжение; S – поверхность частицы. Следовательно, изменение свободной энергии системы равно ΔF=-VΔf+ϭS. Если принять, что твердая частица имеет шаровую форму, то

.

Зависимость ΔF от радиуса частицы г выражается кривой с максимумом.

При возникновении в жидкой фазе частицы размером r₁ свободная энергия системы возрастает на величину ΔF₁. Если допустить, что данная частица будет расти, то свободная энергия системы должна увеличиваться. Но это означает переход системы к неустойчивому состоянию. Следовательно, частица размером r₁ не способна к росту и будет растворяться, что сопровождается, уменьшением свободной энергии системы. Возникновение в жидкой фазе частицы размером r₂ также приводит к увеличению свободной энергии системы (на величину ΔF₂), однако, если такая частица возникла, то она будет расти, так как свободная энергия системы при этом будет уменьшаться, а в случае ее растворения – увеличиваться.

Минимальный размер частицы (r_к), способной к росту при данных температурных условиях, называется критическим размером зародыша. Величину критического зародыша можно определить из соотношения: .

6. Несамопроизвольное образование зародышевых центров.

Если в жидкой фазе присутствуют посторонние примеси в виде твердых частиц, то часто кристаллизация начинается на них. Посторонние частицы активны в том случае, если работа образования зародышей на них меньше, чем работа самопроизвольного образования зародыша. Эго имеет место в случае, когда поверхностное натяжение на границе раздела зародыш – посторонняя частица меньше, чем на границе раздела зародыш-жидкая фаза.

Искусственное введение посторонних твердых активных частиц в жидкую фазу интенсифицирует несамопроизвольную кристаллизацию, приводит к измельчению зерна и является одним из способов модифицирования металлов и сплавов.

7. Число центров кристаллизации, скорость роста кристаллов и их зависимость от ΔT.

Скорость всего процесса кристаллизации, количественно определяется двумя величинами: скоростью зарождения центров кристаллизации и скоростью роста кристаллов (СР ).

Скорость зарождения центров кристаллизации определяется числом центров, возникающих в единице объема в единицу времени.

Скорость роста кристаллов – это увеличение линейных размеров кристалла в единицу времени.

Скорость роста кристаллов и скорость зарождения центров определяются степенью переохлаждения. Зависимости ЧЗ и СР от степени переохлаждения выражаются кривыми с максимумом. Указанный характер изменения ЧЗ и СР объясняется следующим. С повышением степени переохлаждения разность энергий Гиббса жидкого и твердого металлов Δf возрастает, и переход металла из жидкого состояния в твердое ускоряется, т.е. увеличиваются скорость образования зародышей и скорость их роста.

Снижение ЧЗ и СР при больших степенях переохлаждения вызвано тем, что при больших переохлаждениях и, следовательно, при низких температурах вследствие уменьшения скорости диффузии атомов в жидком металле образование зародышей и скорость их роста уменьшаются.

8. Зависимость размера кристаллов от ΔT и влияние величины зерна на механические свойства металла.

При меньшей степени переохлаждения образовывается меньшее число зародышей и из них образуются большие зёрна.

9. Строение металлического слитка.

Кристаллы, образующиеся в процессе затвердевания металла, могут иметь различную форму в зависимости от скорости охлаждения, характера и количества примесей. В закристаллизовавшемся слитке можно наблюдать три зоны: мелких глобулярных кристаллов, столбчатых и крупных глобулярных кристаллов.

Зона мелких кристаллов находится на периферии слитка.

Во второй зоне зародышей образуется значительно меньше, растут они в направлении, обратном отводу тепла к центру отливки.

В третьей зоне образуются крупные равноосные кристаллы.

10. Факторы, влияющие на протяжённость зон в слитке и на размер зерна в зонах.

Протяженность зон и размер зерна зависят от многих факторов. Очевидно, зона столбчатых кристаллов будет тем больше, чем позднее начинается кристаллизация в центральной части отливки.

Если стенки изложницы массивны и теплопроводны, то по сечению слитка возникает значительный градиент температур, что приводит к транскристаллизации, т.е. такой кристаллизации, когда столбчатые кристаллы прорастают до оси слитка. Наоборот, при отливке в тонкостенную изложницу кристаллизация начинается почти одновременно во всем объеме, и зона столбчатых кристаллов либо значительно уменьшается, либо совсем будет отсутствовать.

Размер зерна зависит от количества зародышевых центров. Перегрев жидкого металла, невысокая степень переохлаждения, например, при заливке жидкого металла в форму с низкой теплопроводностью или в подогретую металлическую форму, способствуют получению крупного зерна. Наоборот, слабый перегрев жидкого металла, высокая степень переохлаждения, например, при заливке жидкого металла в холодные металлические формы, способствуют получению мелкозернистого слитка.