Лекция 3. Кристаллизация металлов

При нагреве всех кристаллических тел, всегда наблюдается четкая граница перехода из твердого состояния в жидкое и из жидкого состояния в твердое.

На участке кривой 1-2 (рис. 2.7) внешний подвод тепла сопровождается повышением температуры металла, сохраняющего свою кристаллическую решетку, атомы в которой увеличивают амплитуду колебания за счет поглощения тепловой энергии. На участке 2-3 подвод тепла продолжается, но он не приводит к повышению температуры металла, т. е. подводимая энергия целиком расходуется на разрушение кристаллической решетки и переход атомов в неупорядоченное состояние. Внешне это проявляется в переходе твердого состояния в жидкое. В точке 3 разрушаются последние участки кристаллической решетки, и продолжающийся подвод тепла вызывает повышение температуры жидкого металла (3-4).

Рис. 2.7. Кривые охлаждения и нагрева

При охлаждении наблюдается обратный процесс.

Участок 4 - 5 – охлаждение жидкого металла.

На участке 5 - 6 происходит кристаллизация, сопровождающаяся выделением тепла, которое называется скрытой теплотой кристаллизации.

Участок 6 – 7 – охлаждение затвердевшего металла.

Кристаллизация металла происходит не строго при температуре плавления t_пл, а при некотором переохлаждении Δt, значение которого зависит от природы самого металла, от степени его загрязненности различными включениями и от скорости охлаждения. Чем меньше чище металл, тем больше степень переохлаждения при кристаллизации.

Образование кристаллической решетки сопровождается уменьшением запаса внутренней энергии тела. Согласно второму закону термодинамики, всякая система стремится к минимальному значению свободной энергии. Изменение свободной энергии F в зависимости от температуры T для твердого и жидкого состояний схематически показано на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Изменение свободной энергии жидкого и твердого металла в зависимости от температуры

При температуре Т_пл свободные энергии обоих состояний равны F_ж = F_кр. Такую температуру называют равновесной или теоретической температурой кристаллизации.

Как было отмечено, ни плавление, ни кристаллизация не происходят точно при этой температуре. Для начала плавления необходимо перегреть сплав до Т_2, когда свободная энергия жидкого состояния F_ж2 окажется меньше свободной энергии кристаллического состояния сплава F_кр2. И наоборот, для того, чтобы металл начал затвердевать, необходимо его переохладить до температуры Т₁, когда F_кр1˂F_ж1.

Разность между теоретической и фактической температурами кристаллизации называется степенью переохлаждения ΔТ = Т_пл – Т₁.

Дата добавления: 2014-01-06