Теоретическое и прикладное материаловедение

нулю и процесс кристаллизации идти не может.
Увеличение с.к. и ч.ц.

при малых степенях переохлаждения обусловлено тем, что подвижность атомов велика и увеличивается разность свободных энергий жидкого и твердого состояний.
Снижение с.к. и ч.ц. при больших степенях переохлаждения вызвано уменьшением подвижности атомов
При очень больших степенях переохлаждения подвижность атомов недостаточна для перестройки и с.к. и ч.ц. равны нулю.
Размер образовавшихся кристаллов зависит от соотношения величин с.к. и ч.ц. при температуре кристаллизации, при данной степени переохлаждения.
Центры кристаллизации в области максимума скорости роста еще не образуются, а в области максимума скорости образования центров кристаллизации линейная скорость роста мала. Это тормозит суммарную скорость кристаллизации, и полное время этого процесса растет.

Vt – количество закристаллизовавшегося за время t вещества
dV/dt – объемная скорость кристаллизации

В предыдущей серии…

телом в окружающую среду, при падении температуры на dt
- количество

тепла, принятого средой

m –масса тела
s – площадь поверхности тела
c – теплоемкость тела
k – коэффициент пропорциональности, зависит от природы тела и состояния его поверхности
t – температура тела
d – время
Θ – температура окружающей среды

Для малых dt, считаем c - константой

При =0, t=t1 только превышение t над температурой окружающей среды

При θ=0

в первый момент кристаллизации настолько бурно, что температура скачкообразно повышается,

и приближается к теоретической.

Кривые температура-время

Процессу кристаллизации соответствует горизонтальный участок (отвод тепла компенсируется скрытой теплотой кристаллизации).

t1

t2

t3

наличие примесей

граница
Одиночный атом
Ступенька
Излом ступеньки
Двумерный зародыш нового слоя
Ступенчатый (боковой) или тангенциальный рост
Выход

винтовой дислокации на поверхность. Меньшая энергия образования новых слоев

Непрерывный (во множестве точек по всей поверхности кристалла) или нормальный рост

условиях охлаждения отливок кристаллы приобретают различную форму и размеры. Обычно

это полиэдры (неправильные многогранники).

Скорость продвижения грани в жидкость ↑ при ↑удельной поверхностной энергии (↓плотности упаковки атомов). «Выклинивание».

Кристалл стремится окружить себя гранями с минимальной поверхностной энергией.

Атомно-гладкая граница – поддержание огранки кристалла во время роста

(корка).
2 – зона столбчатых кристаллов
3– зона

равноосных кристаллов

Строение металлического слитка

Дефекты слитка:
Усадочная раковина
Пористость
Ликвация
Усадочная пористость вблизи усадочной раковины и по оси слитка.

Атомно-шероховатая граница

Дендрит

При небольших степенях переохлаждения свободно растущий в жидкости кристалл принимает разветвленную форму с осями первого, второго и последующих порядков. Такие кристаллы называются дендритами.

Разветвление кристалла, увеличение длины ветвей, утолщение. Межветвивые пространства зарастают → превращение в монолитное зерно.

Форма растущих в расплаве кристаллов зависит от механизма роста, переохлаждения жидкости, направления теплоотвода, содержания примесей, кристаллографических особенностей зародыша

ВИДЕО 2_1

стального слитка кристалл стали (длиной около 39 см). Имеет дендритное

строение. Назван по имени русского учёного Д. К. Чернова (1839 - 1921), который первым установил дендритное строение стали.

ВИДЕО 2_2 и 2_3

веществ), которые выделяются из прочих тел (веществ) и в которых

наблюдают интересующие нас превращения ( или физико-химические взаимодействия).

Компоненты - ими называются вещества, образующие данную систему. Химические соединения можно рассматривать как компоненты, если они не диссоциируют на составные части в исследуемых интервалах температур. Существует другое определение: число компонентов - это наименьшее число веществ, состав которых не может изменяться и которые образуют данную систему.

Фаза - это однородная часть системы, отделенная от других частей системы (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура вещества изменяется скачком.

Под числом степеней свободы системы понимают число внешних и внутренних факторов (температура, давление и концентрация), которое можно изменять без изменения числа фаз в системе.

Диаграмма состояния сплавов ( ДСС ) представляет собой графическое изображение состояния сплава. Диаграмма состояния показывает устойчивые состояния, то есть состояния, которые при данных условиях обладают минимумом свободной энергии. Поэтому диаграмма состояния может также называться диаграммой фазового равновесия, так как она показывает, какие равновесные фазы существуют при данных условиях.

(К-1)Ф+2
µ1´= µ1´´= µ1´´´=…= µ1Ф
µ2´= µ2´´= µ2´´´=…= µ2Ф
………………………....
µk´= µk´´= µk´´´=…= µkФ
Правило

фаз

С= K – Ф +2

P=const

T´= T´´= T´´´=…=TФ
P´= P´´= P´´´=…= PФ

Равновесное состояние термодинамической (ТД) системы характеризуется при постоянных внешних условиях неизменностью ТД параметров во времени и отсутствием в системе потоков энергии и вещества.

Все ТД параметры равновесной системы связаны уравнениями. Вариантность системы (С) равна числу всех переменных параметров минус число независимых уравнений, связывающих эти параметры.

(K-1)Ф – число неизвестных. В каждой фазе К концентраций, между которыми (К-1) независимых отношений

Условие термического и механического равновесия

Хим. потенциал каждого компонента во всех фазах одинаков. Иначе переход компонента в фазу где его хим. потенциал меньше

(Ф-1)K уравнений

µ1´= f(T, P, C1´, C2´...Ck´), хим. потенциал компонента в фазе – это функция от Т, P и концентраций всех компонент в этой фазе

С= K – Ф +1

три типа взаимоотношения компонентов:


Образование однородного твердого кристаллического раствора;
Образование смеси двух

различных видов твердых растворов ограниченной концентрации;
Образование химических соединений.

способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают

в химическую реакцию с образованием соединения

быть выражено простой формулой (AnBm);
Образуется отличная от элементов, составляющих химическое

соединение, кристаллическая решетка с упорядоченным расположением в ней атомов компонентов;
Химическое соединение характеризуется определенной температурой плавления.

между компонентами могут изменяться без нарушения однородности и при сохранении

одной и той же кристаллической решетки
Различают три вида твердых растворов:
Твердые растворы замещения;
Твердые растворы внедрения;
Твердые растворы вычитания.

однофазным, состоит из одного вида кристаллов, имеет одну кристаллическую решетку

В

отличие от химического соединения твердый раствор существует не при определенном соотношении компонентов, а в интервале концентраций

ограниченной растворимостью
С неограниченной растворимостью

A

B

решеток сплавляемых компонентов;
Близость атомных радиусов компонентов, которые не должны отличаться

более, чем на 8…13%;
Близость физико-химических свойств компонентов.

в поры кристаллической решетки компонента-растворителя.
Условие образования: внедряемые атомы имеют малые

размеры (H, C, N, B)

A

C

узлов при растворении одного из компонентов в химическом соединении.




Характерны для

нестехиометрических соединений.
Твердые растворы вычитания, или растворы с «дефектной» решеткой, образуются только на базе химических соединений

и твердом состояниях

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение зависимости температур

фазовых превращений в сплавах от их состава

В КАКИХ КООРДИНАТАХ ДОЛЖНА СТРОИТЬСЯ ДИАГРАММА
СОСТОЯНИЯ ДВУХКОМПОНЕНТНОГО СПЛАВА?

начала выделения твердой фазы из жидкой при охлаждении, называют кривой

ликвидуса

Кривую, объединяющую все точки типа b и
отвечающую температурам конца процесса преобразования жидкой фазы в твердую при охлаждении или началу выделения жидкой фазы из данной твердой при нагревании, называют кривой солидуса

использовать диаграмму фазового равновесия для определения:
Присутствующих фаз
Состава фаз
Количества фаз
Определение состава

в двухфазной области:
Определить положение состава и температуры на диаграмме
В двухфазной области провести коноду
Отметить точки пересечения с границами фаз
Точки в местах пересечения соответствуют составам жидкой и твердой фаз

состава на диаграмме
Провести в двухфазной области коноду
Количество фазы определяется путем

деления части коноды, проведенной через заданную точку, до пересечения с границей, соответствующей другой фазе, на общую длину коноды



Правило рычага является механического аналогией баланса сил. Конода в двухфазной области является рычагом равновесия в точке опоры

в сплаве
x1 – концентрация в % компонента B в жидкой

фазе
x2 – концентрация в % компонента B в твердой фазе
O – фигуративная точка

диаграммы состояния в заданной точке, называемой фигуративной, необходимо через эту

точку провести горизонтальную линию (именуемую конодой) до пересечения с линиями ликвидус и солидус диаграммы состояния

Проекция точки пересечения коноды с линией ликвидус на концентрационную ось определяет состав жидкой фазы проекция точки пересечения коноды с линией солидус на концентрационную ось определяет состав твердой фазы

сплава

точка 1 – начало кристаллизации с выделением кристаллов α

1-2 –

кристаллизация с выделением кристаллов α

точка 2 – конец кристаллизации

2-3 – охлаждение твердого сплава

x1 – состав первых кристаллов

x2 – состав жидкой фазы

x3 – состав твердой фазы

момент, когда состав твердой фазы соответствует среднему составу сплава
Состав: имеется

ввиду химический состав

Интервал температур от T1 до T3 называется интервалом кристаллизации

Состав твердой фазы движется по линии солидус, состав жидкой фазы – по линии ликвидус

фазы: L и α

Состав фаз
– W0=35%Ni
– WL=Wжидкой=32%Ni
– Wα=Wтвердой=43%Ni
Количество фаз

– XL=S/(S+R)=(43-35)/(43-32)=73%
– XS=R/(S+R)=(35-32)/(43-32)=27%

– Точка C: L единственная фаза
100% жидкой фазы→ XL=100%, Xα=0% WL=W0=35%Ni

– Точка D : α единственная фаза
100% твердой фазы→ XL=0%, Xα=100% Wα=W0=35%Ni

фазы (35% Ni)

– Точка b
86,6% L (33%Ni)
13,3% α (48% Ni)

–

Точка c
61,5 % L (30% Ni)
38, 5% α (43% Ni)

– Точка d
13,3 % L (22% Ni)
86,7 % α (37% Ni)

– Точка e
100% α (35% Ni)

L: 33% Ni
α: 48% Ni

L: 30% Ni
α: 43% Ni

L: 22% Ni
α: 37% Ni

α: 35% Ni

L: 35% Ni

%Ni и 47 мас. % Cu при 1300 °С:
а) Сколько

массовых процентов Cu содержится в жидкой и твердой фазе при данной температуре?
б) Сколько процентов жидкой и твердой фазы содержится в данном сплаве?

процессе кристаллизации. Ликвация, проявляющаяся в объеме отдельных зерен (кристаллитов, дендритов),

называется внутри кристаллической или дендритной ликвацией. Если химическая неоднородность наблюдается в объеме всего слитка или отливки, то такая ликвация называется зональной.

Равновесная кристаллизация при условии прохождения 3 диффузионных процессов.
Разделительная диффузия (перераспределение атомов разного сорта вблизи фронта кристаллизации для установления равновесных концентраций твердых и жидких фаз при каждой температуре)
Выравнивающая диффузия и конвективное перемешивание в жидкой фазе.
Выравнивающая диффузия в твердой фазе

термопары
Термопара
Чехол термопары
Холодные концы термопары
Милливольтметр
Термический анализ изучает изменение свойств материалов под

воздействием температуры.

измерения температуры
Принцип действия – эффект Зеебека (термоэлектрический эффект).
Возникновение ЭДС в

замкнутой электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах.

Термопара

Дифференциальная
термопара

E=α1,2 (T2-T1), где α1,2 – термоэлектрическая способность пары (термосила, коэффициент

термоэдс, или удельной термоэдс )

В простейшем случае коэффициент термо-ЭДС определяется только материалами проводников

Коэффициент термоэдс определяется физическими характеристиками проводников, составляющих термоэлемент: концентрацией, энергетическим
спектром, механизмами рассеяния носителей заряда.
.