Практическая работа № 16

Тема:   Плавление и кристаллизация металла шва

Время выполнения заданий – 2 урок

Цель работы: изучить механизм кристаллизации металлов, энергетические условия протекания процесса кристаллизации.

Порядок выполнения работы

1. Изучить теоретические сведения.

2. В тетради для практических работ письменно ответить на контрольные вопросы.

Теоретические сведения

Общее свойство металлов и сплавов - их кристаллическое строение, которое характеризуется определенным расположением атомов в пространстве. Для описания атомно-кристаллической структуры применяют понятие кристаллической ячейки - наименьшего объема, трансляция которого по всем измерениям может полностью воспроизвести структуру кристалла. В реальном кристалле атомы или ионы сближены друг с другом до состояния непосредственного соприкосновения, но для простоты их заменяют схемами, где центры притяжения атомов или ионов изображены точками; наиболее характерные для металлов ячейки показаны на рис. 1.1.

Рис.1.1. Типы кристаллических решеток и расположение в них атомов:

а) гранецентрированная (ГЦК), б) объемноцентрированная (ОЦК), в) гексагональная плотноупакованная (ГЩ)

Любое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном, а переход из одного состояния в другое происходит при определенной температуре и давлении. Большинство технологических процессов происходит при атмосферном давлении, тогда фазовые переходы характеризуются температурой кристаллизации (плавления), сублимации и кипения (испарения).

При увеличении температуры твердого тела растет подвижность атомов в узлах кристаллической ячейки, увеличивается их амплитуда колебаний. При достижении температуры плавления энергии атомов становится достаточно, чтобы покинуть ячейку - она ​​разрушается с образованием жидкой фазы. Температура плавления является важной физической константой материалов. Среди металлов самую низкую температуру плавления имеет ртуть (-38,9 ° С), а наибольшее - вольфрам (3410 ° С).

Обратная картина имеет место при охлаждении жидкости с ее дальнейшим затвердеванием. Вблизи температуры плавления образуются группы атомов, упакованных в ячейки, как в твердом теле. Эти группы являются центрами (зародышами) кристаллизации, на них потом нарастает слой кристаллов. При достижении той же температуры плавления материал переходит в жидкое состояние с образованием кристаллической решетки.

Кристаллизация - переход металла из жидкого состояния в твердое при определенной температуре. Согласно закону термодинаміки, любая система стремится перейти в состояние с минимальным значением свободной энергий - составной внутренней энергии, которая изотермически может быть преобразована в работу. Поэтому металл затвердевает, когда меньше свободной энергией обладает твердое состояние и плавится, когда меньше свободная энергия в жидком состоянии.

Процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов: зарождения центров кристаллизации и роста кристаллов из этих центров. Как отмечалось выше, при близкой к кристаллизации температуре начинается образование новой структуры - центра кристаллизации. С увеличением степени переохлаждения увеличивается количество таких центров, вокруг которых начинают расти кристаллы. В то же время в жидкой фазе образуются новые центры кристаллизации, поэтому увеличение твердой фазы одновременно происходит как за счет возникновения новых центров, так и за счет роста существующих. Суммарная скорость кристаллизации зависит от хода обоих процессов, причем скорости зарождения центров и роста кристаллов зависят от степени переохлаждения ΔТ. На рис. 1.2 схематично показан механизм кристаллизации.

Рис. 1.2. Механизм кристаллизации

Реальные кристаллы называются кристаллитами, они имеют неправильную форму, что объясняется их одновременным ростом. Зародышами кристаллизации могут быть флуктуации основного металла, примеси и различные твердые частицы.

Размеры зерен зависят от степени переохлаждения: при малых значениях ΔТ скорость роста кристаллов велика, поэтому образуется незначительное количество крупных кристаллитов. Увеличение ΔТ приводит к увеличению скорости образования зародышей, количество кристаллитов существенно увеличивается, а их размеры уменьшаются. Однако главную роль при формировании структуры металла играют примеси (неметаллические включения, окислы, продукты раскисления) - чем их больше, тем меньше размеры зерен. Иногда специально проводят модифицирование металла - намеренное введение примесей с целью уменьшения размеров зерен.

При образовании кристаллической структуры важную роль играет направление отвода теплоты, ведь кристалл растет быстрее именно в этом направлении. Зависимость скорости роста от направления приводит к образованию разветвленных древовидных кристаллов - дендритов (рис. 1.3).

Рис. 1.3 Дендритный кристалл

При переходе из жидкого состояния в твердое всегда имеет место избирательная кристаллизация - в первую очередь твердеет более чистый металл. Поэтому границы зерен больше обогащенны примесями, а неоднородность химического состава в пределах дендритов называется дендритной ликвацией.

На рис. 1.4. показано строение стального слитка, в котором можно выделить 3 характерные зоны: мелкозернистую 1, зону столбчатых кристаллов 2 и зону равновесных кристаллов 3. Зона 1 состоит из большого количества неориентированных в пространстве кристаллов, образованных под действием значительной разницы температур между жидким металлом и холодными стенками.

Рис. 1.4. Строение стального слитка

После образования внешней зоны условия отвода теплоты ухудшаются, переохлаждения уменьшается и центров кристаллизации возникает меньше. Из них начинают расти кристаллы в направлении отвода теплоты (перпендикулярно стенкам формы), образуя зону 2. В зоне 3 не существует четкого направления отвода теплоты, а зародышами кристаллизации в ней есть посторонние частицы, вытесненные при кристаллизации предыдущих зон.

Контрольные вопросы

1. В каких агрегатных состояниях может существовать материал?

2. Что называется фазовым превращением І рода?

3. Какой процесс называется кристаллизацией, к какому типу фазового превращения он относится?

4. Опишите механизм кристаллизации металла и условия, необходимые для его запуска.

5. Чем вызвана дендритная форма кристаллов?

6. Опишите структуру металлического слитка