lectures (Лекции), страница 2

Чем больше дислокаций, тем меньше усилие необходимое для деформацииобразца. Начиная с некоторой концентрации дислокаций деформация затрудняется,дислокации мешают движению друг друга. Возникает эффект упрочнения. Структура,возникающая при большом количестве мешающих друг другу дислокаций.n – плотность дислокаций;Реальные кристаллы имеют много дефектов, от которых зависят свойства материала.Строение металлического слитка.Зона I: Высокая скорость охлаждения. Структура – мелкие,равноосные кристаллы.Зона II: Быстрое охлаждение, большая разность температур,мелкие кристаллы, растущие навстречу оттоку тепла. Игольчатые(столбчатые) дендриты.Зона III: Центральная часть слитка. Медленное охлаждение.Форма кристаллов: крупные равноосные.

Чем ближе к центру, тембольше содержание вредных примесей. Примеси можно удалитьмеханически,Зона IV: В верхней части слитка, концентрируется наибольшаячасть легких примесей (шлаки), газовых пузырей, трещин, раковин, и т. д. Послеизготовления эту часть удаляют.Наиболее качественными являются слитки с одинаковой структурой кристаллов повсему объему, поэтому зону I часто механически удаляют.Кристаллизация – переход из жидкого в твердое состояние с образование6кристаллическойкристаллизацию.решетки.ВыделяютсамопроизвольнуюинесамопроизвольнуюДж]).

Энтропиякг ⋅ Квозрастает, если энергия подводится в хаотическом движении. При кристаллизации порядокповышается, следовательно энтропия убывает.Главный термодинамический параметр – температура. При анализе кристаллизациине рассматривается поведение отдельных атомов или молекул. Применяюттермодинамический подход: вещество рассматривается как некая система, котораяхарактеризуется общими усредненными параметрами:1) Энтропия S.2) Полная внутренняя энергия U [Дж/кг].3) Температура (пропорциональна <Wк>) T [К].4) Свободная энергия Fсв = U – TS – часть полной внутренней энергии системы,которой система может обменяться с внешней средой без изменения агрегатного состояния.Упорядоченность.

Мера упорядоченности – энтропия (S [Принцип минимума свободной энергии.При заданной температуре из всех возможных агрегатных состояний вещество будетстремиться перейти в то агрегатное состояние свободная энергия которого минимальна.Самопроизвольная кристаллизация – процесс, который происходит в веществах поддействием естественных механизмов без посторонних вмешательств. Формула Fсв = U – TSозначает, что для каждого агрегатного состояния может быть написано уравнение,определяющее изменение внутренней энергии в зависимости от температуры.При высоких температурах по принципу минимальной свободной энергииэнергетически более выгодно жидкое агрегатное состояние, при низких – твердое.T0 – теоретическая температура кристаллизации – температура, при которой уровнисвободной энергии жидкости и твердого состояния одинаковы.

При температурекристаллизации вещество находится в безразличном состоянии. 00С – теоретическаятемпература кристаллизации воды. Для начала кристаллизации необходимо, чтобы Tд<T0,где Tд – действительная температура начала кристаллизации.Важнейшая характеристика процесса кристаллизации – степень переохлаждения: ∆T= T0 – Tд. Начало кристаллизации при T<T0 сопровождается образованием внутри жидкостимельчайших зародышей кристаллов, то есть небольших групп атомов, располагающихсяфиксировано друг относительно друга и образующих кристаллическую решетку.При образовании кристаллической решетки происходят следующие процессы:1) Уменьшение свободной энергии при T<T0 за счет образования кристаллическойрешетки, так как кристаллообразное состояние более выгодно.2) Увеличение свободной энергии за счет образования поверхности раздела междужидкостью и кристаллом.

Возникновение поверхности натяжения. Устойчивым будет тоткристалл, для которого уменьшение свободной энергии больше чем ее увеличение.7rкр – критический радиус кристалла.rкр1 < rкр2 означает, что при некоторой температуре T2 начальный объем зародышадолжен быть больше, следовательно вероятность его самопроизвольного развития меньше.Чем меньше степень переохлаждения, тем меньше зародышей кристаллов образуется вединице объема жидкости за единицу времени.Зависимость числа зародышей кристаллов и скорости их роста от степенипереохлаждения.Чем больше ∆T = T0 – Tд, тем меньше Tд. При ∆T1 – число зародышей мало, скоростьроста отлична от нуля.

В результате кристаллы вырастают до крупных размеров. При ∆T2 –число зародышей резко возрастает, скорость роста увеличивается, но кристаллы из-забольшого количества не успевают вырасти до крупных размеров (структура из мелкихкристаллов).Чем мельче кристаллы в структуре металла, тем выше прочность и твердость, меньшепластичность. Для малых объемов металла ∆T можно изменять за счет изменения скоростиохлаждения.Для крупных слитков это неприемлемо, так как внутренние слои слитка будутохлаждаться с малой скоростью. Если охлаждать слиток снаружи, то обнаружитсясущественная неоднородность структуры слитка.При охлаждении слитка возникает существеннаяразность температур, которая приводит к возникновениюдендритных кристаллов (древовидные кристаллы).

Они имеютоси, вызывающие сильную неоднородность свойств металла.Наличие крупных дендритных кристаллов является литейным8браком.Несамопроизвольная кристаллизация – происходит при температурах ниже T0 сучастием специальных веществ. Они влияют на размер и форму кристалла и называютсямодификаторы. Процесс влияния – модифицирование.Выделяют два вида модификаторов объемные и поверхностные. Объемныемодификаторы создают дополнительные центры кристаллизации. Тугоплавкие металлы ввиде мелкодисперсного порошка. Необходимо, чтобы металл имел аналогичныекристаллические решетки и атомные параметры. Для железа модификатор – вольфрам.Поверхностные модификаторы уменьшают скорость роста кристаллов, изменяютповерхностную энергию на границе кристалл-жидкость.

Атомы модификатора прилипают кповерхности кристалла, новые кристаллы не растут. В качестве модификатора используютсянеметаллы с малой атомной массой. Для железа модификатор – бор. Модификаторыпозволяют улучшить структуру металла и управлять размерами и формой кристаллов.Основы теории сплавов.Сплав – вещество, содержащее в своем составе два или более компонентов, покрайней мере один из которых – металл.Компонент – химическое вещество, входящее в состав сплава.В дальнейшем будем рассматривать двойные сплавы.Различные типы кристаллических сплавов.1. Твердые растворы – кристаллы, у которых один из компонентов образуетсобственную кристаллическую решетку, а второй присутствует в виде отдельных атомов, тоесть собственной кристаллической решетки не имеет.

Первый компонент называютрастворителем, а второй – растворенным компонентом.Выделяют твердые растворы внедрения и твердые растворы замещения.В твердых растворах внедрения – атомы растворенного вещества находятся вмежатомных промежутках растворителя.Особенности:– растворенные вещества должны иметь малый атомный радиус (обычно этонеметалл);– ограниченная растворимость;В твердых растворах замещения – атомы растворенного вещества замещают атомырастворителя в узлах кристаллической решетки.Особенности– растворенное вещество такого же типа, как и растворитель (атомы близки поразмеру);– часто имеют неограниченную растворимость;2.

Химические соединения. Кристаллы, в структурах которых атомы двухкомпонентов образуют химическую связь.Особенности:– сложная кристаллическая решетка, в которой оба компонента занимаютстрогоопределенные места;9– постоянный химический состав (стехиометрический) металл-неметалл;3. Интерметаллидные соединения – химические соединения между двумя металлами.МеnМеm.Особенности:– постоянный состав;– способность образовывать твердые растворы (внедрения);Правило Гиббса.Фаза – часть объема вещества, ограниченная поверхностью раздела, при переходечерез которую скачком меняется структура, химический состав, свойства вещества.Изменение фазового состава вещества возможно при изменении следующихтермодинамических параметров:1.

Химический состав.2. Давление.3. Температура.или всех трех вместе. В дальнейшем будем считать, что:– химический состав сплава в целом остается неизменным;– все процессы происходят при постоянном давлении;– изменение фазового состава связано с изменением температуры;Число степеней свободы – количество термодинамических параметров, приизменении которых фазовый состав вещества остается неизменным.Правило Гиббса устанавливает связь между числом компонентов, числом степенейсвободы и количеством фаз в системе.c = k – f +1c – число степеней свободы;k – число компонентов;f – количество фаз;С помощью правила Гиббса можно узнать количество степеней свободы: с = 1 (дляданного процесса температура может меняться), или с = 0 (температура остаетсянеизменной).Так как в наших условиях k = 2, а число термодинамических параметров, которыемогут изменяться = 1, то с помощью правила Гиббса для каждого процесса фазовогоперехода можно определить (в сплавах), происходит ли этот процесс при постояннойтемпературе, или при переменной.Применение правила Гиббса.1.

Кристаллизация чистого вещества (k = 1). Чистые вещества кристаллизуются припостоянной температуре.102. Кристаллизация сплава двух компонентов, неограниченно растворимых друг вдруге в твердом состоянии (k = 2). Во время процесса изменяется число фаз.1) Охлаждение идет с довольно большой скоростью.