Материаловедение. Барышев Г.А. - 10 стр.

UptoLike

ВУЗ: 

ТГТУ | Тамбов

Составители: 

Рубрика: 

Лекция 2
КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ
1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ПРОЦЕССА
КРИСТАЛЛИЗАЦИИ
Процесс перехода жидкого состояния в твердое по схеме L → S называется кристаллизацией, где L – жидкость (рас-
плав), S – твердая фаза (кристалл).
В природе все самопроизвольно протекающие процессы обусловлены тем, что новое состояние в новых условиях обла-
дает меньшим запасом свободной энергии (термодинамический потенциал):
F – свободная энергия;
t – температура;
t
в
– равновесная температура кристаллизации;
t
к
– реальная температура кристаллизации;
∆t – переохлаждение, т.е. разность между теоретической (равновесной) и фактической (реальной) температурами кристал-
лизации (рис. 1).
С изменением внешних условий, например температуры, свободная энергия системы меняется по сложному закону, но
различно для твердого и жидкого состояний.
Выше температуры t
п
меньшей свободной энергией обладает жидкое состояние, ниже t
п
– твердое состояние.
При температуре t
п
свободные энергии твердого и жидкого состояний равны – металл находится в равновесии. Эта рав-
новесная температура называется теоретической температурой кристаллизации.
Рис. 1. Изменение свободной энергии жидкого (F
ж
) и кристаллического (F
т
) состояний в зависимости от температуры
Для кристаллизации необходимо, чтобы он был энергетически выгоден, а это возможно тогда, когда есть переохлажде-
ние, т.е. разность между равновесной и фактической температурами кристаллизации ∆t = t
п
– t
к
. При этом появляется раз-
ность свободных энергий между жидкой и твердой фазами. ∆F = F
ж
– F
т
– движущая сила процесса кристаллизации.
2. ПРОЦЕСС ЗАТВЕРДЕВАНИЯ
Наличие остановки на кривой охлаждения можно объяснить выделением скрытой теплоты кристаллизации, которая
компенсирует внешний теплоотвод (рис. 2).
Более строго (правильно) это доказывается с помощью закона Гиббса:
С = К – f + 1, (1)
где К – количество компонентов; f – число фаз; 1 – температура; С – число степеней свободы. С = 0 – для кристаллизации
металлов, так как К = 1, f = 2.
На рис. 2 показаны три кривые при различных скоростях охлаждения: v
1
, v
2
, v
3
. При этом получаются различные пере-
охлаждения ∆t
1
, ∆t
2
, ∆t
3
. Чем меньше скорость охлаждения v
1
, тем ближе температура кристаллизации к равновесной (t
п
– см.
на рис.1), меньше переохлаждение ∆t
1
.

Страницы