Плавление и кристаллизация чистых металлов

Плавление и кристаллизации вещества являются фазовым переходом первого рода и для чистых веществ плавление характеризуется определенной температурой, являющейся константой данного вещества.

Все металлы находятся в твердом состоянии до определен­ной температуры. Это значит, что до определенной температуры металл сохраняет свою кристаллическую структуру (решетку), в которой атомы, находящиеся в узлах кристаллической решетки, совершают колебательные движения с определенной амплиту­дой и частотой порядка 10¹³ периодов в секунду. При нагреве ам­плитуда перемещения атомов в узлах кристаллических решеток увеличивается и, наконец, достигает такого значения, при кото­ром силы взаимодействия между атомами не обеспечивают их взаимного положения в решетке, и она разрушается. Этот мо­мент и называют плавлением, и вещество переходит в жидкое со­стояние.

Переход металла из жидкого или парообразного состояния в твердое с образованием кристаллической структуры называется первичной кристаллизацией. Образование новых кристаллов в твер­дом кристаллическом теле называется вторичной кристаллизацией. Кристаллы могут как самопроизвольно зарождаться — гомоген­ная кристаллизация, так и расти на уже существующих центрах кристаллизации — гетерогенная кристаллизация.

Плавление — процесс, обратный кристаллизации, — протекает при температуре выше равновесной температуры Т_п, т.е. при пе­регреве. Разность реальной температуры кристаллизации и темпе­ратуры плавления называется температурным гистерезисом. Термические кривые, характеризующие процесс кристаллизации чистых металлов при охлаждении с разной скоростью , показаны на рисунке

Рисунок 1 – Кривые охлаждения металла

при кристаллизации (₁<₂<₃)

Температура жидкого металла при охлаждении уменьшается плавно. При достижении реальных температур кристаллизации (Г_ь Т_ъ Т_ъ) на кривых охлаждения появ­ляются горизонтальные площадки, так как отвод теплоты в окру­жающую среду компенсируется выделяющейся скрытой теплотой кристаллизации. По окончании кристаллизации температура за­кристаллизовавшегося металла опять плавно понижается до окон­чательного затвердевания и охлаждения. При медленном охлажде­нии со скоростью v степень переохлаждения А Г, мала и кристал­лизация протекает при температуре, близкой к равновесной. С увеличением скоростей охлаждения кристаллизация протекает при более низких, чем в случае с v_b температурах, при этом сте­пень переохлаждения возрастает.

Процесс роста кристалла заключается в присоединении к его зародышу все новых атомов металла из жидкой фазы. Момент равновесной температуры кри­сталлизации (Г_п), когда равновероятно существование металла как в жидком, так и в твердом состояниях, т.е. число зародышей и скорость их роста равны нулю, и кристаллизация не происходит.

Полиморфные превращения. Данные превращения имеют место при вторичной кристаллизации, когда новые кристаллы образу­ются из твердой фазы. Полиморфизм — способность твердого металла при разных тем­пературах или давлениях иметь две или несколько кристалличес­ких структур, которые называются аллотропическими формами или модификациями. Низкотемпературную модификацию обыч­но обозначают буквой а, а высокотемпературные — соответственно буквами р у и т.д.

Железо имеет четыре полиморфные модифика­ции: α-Fe, p-Fe, γ-Fe и 5-Fe. Практическое значение имеют модифи­кации α -Fe и γ -Fe. Переход железа из одной модификации в другую происходит при определенных критических температурах. Модифи­кация α -Fe имеет кубическую объемно-центрированную кристалли­ческую решетку, γ -Fe — кубическую гранецентрированную кристал­лическую решетку. Переход железа из одной аллотропической формы в другую схематически показан на кривой охлаждения (рис. 19.6). В процессе охлаждения расплавленного железа при тем­пературе 1535°С образуется площадка, характеризующая формиро­вание кристаллической модификации 5-Fe; при температуре 1392°С происходит полиморфная модификация б-Fe в модификацию γ -Fe, которая при температуре 898°С переходит в модифика­цию P-Fe; при температуре 768°С модифи­кация P-Fe переходит в модификацию α -Fe. Изучение этих четырех форм сущест­вования кристаллического железа показа­ло, что в модификации γ -Fe имеется межа­томное расстояние в кристаллической решетке, меньшее, чем в модификации p-Fe, и поэтому переход γ -Fe в P-Fe сопро­вождается увеличением объема кристалла. Отмечено, что модификация α -Fe облада­ет магнитными свойствами (ферромаг-нит), тогда как модификация (З-Fe этими свойствами почти не обладает, хотя крис­таллические решетки их сходны между собой.

Дата добавления: 2014-01-20