Лабораторная работа 3
кристаллизация.
Цели работы, влияющие на структуру и свойства металла
- 1. Изучить механизм и кинетику процесса кристаллизации.
- 2. Изучить макроструктуру металлических слитков.
- 3. Изучить влияние условий кристаллизации на структуру и механические свойства металлов.
Материалы и оборудование для выполнения работы Водно-солевой водный раствор (хром K2Cr2O7, перманганат калия KMnO4, хлорид натрия NaCl), биологический микроскоп, металлический слиток, алюминиево-кремниевый сплав (силмин), муфель электрический с термопарой и автоматическим потенциометром Печь, металлическая небесная пена (кокиль), керамическая пена, маятниковый драйвер МК-30.
Ключевой точкой кристаллизации является процесс, посредством которого вещество переходит из жидкого состояния в твердое кристаллическое состояние.
Расплавленный металл не имеет дальнего порядка. Расстояние между атомами не является постоянным, и регулярно упорядоченный объем появляется или исчезает (рис. 1а). В процессе кристаллизации устанавливается дальний порядок. Атомы располагаются на определенных расстояниях в каждом пространственном направлении, образуя кристаллическую решетку (рис. 1, б).
Такое упорядоченное расположение обусловлено балансом сил притяжения и отталкивания между атомами и соответствует минимальной энергии взаимодействия атомов в металле. a b Рис. 1. Расположение атомов в жидких (a) и твердых (b) металлах 25
Процесс кристаллизации протекает самопроизвольно или вызван какой-то искусственной причиной. Только термодинамический процесс, который приводит к уменьшению свободной энергии системы, происходит самопроизвольно (свободная энергия F является переменной частью полной энергии системы).
При повышении температуры металла свободная энергия как жидкостей, так и твердых веществ уменьшается, но с разными скоростями. Свободная энергия жидкого металла уменьшается быстрее (рисунок 2).
Поэтому кривые зависимости свободной энергии от температуры пересекаются при определенной температуре TS. При температурах ниже TS уровень свободной энергии твердого металла низок, поэтому кристаллизация начинается, когда расплав охлаждается до температуры T1 TS. Рисунок 2.
- Температурная зависимость свободной энергии металла. Температура TS, при которой свободная энергия твердого и жидкого металлов одинакова, называется теоретической температурой кристаллизации. При этой температуре жидкость и кристалл находятся в равновесии, поэтому металл одновременно находится в жидком и твердом агрегате.
Лабораторные по материаловедению
