Homogén és heterogén kristályosítással
Homogén kristályosítással. rendszer jellemzett állapot egy belső energia, amely az összege az energia a atomok (ionok), elektronok, az energia a rugalmas torzulás a kristályrács, stb Néhány az energiát, amely lehet alakítani munka izotermikus körülmények között, az úgynevezett szabad ..:
ahol F - szabad energia, U - a teljes energia belső, T - a hőmérséklet; S - entrópia. Az anyag lehet szilárd, folyékony vagy gáz halmazállapotú Államok aggregáció. Az átmenet egy új állam akkor lehetséges, ha van egy kis szabad energia tartalék.
Növekvő hőmérséklettel, a szabad energia F a fém a folyékony és szilárd állapotok csökken (2.1 ábra.):
Amikor az egyensúlyi kristályosítási hőmérséklet Ts szabad energia a folyékony és szilárd fázis azonos, a két fázis van együtt jelen, az energia változás történik:
A kristályosodási folyamat legyen termodinamikailag kedvező és csökkenése kíséri a szabad energia a rendszer. Ez akkor lehetséges, ha a folyékony fázis alá hűtjük gyakorlati hőmérséklet Ts Tcr kristályosítással. Az átmenet a folyadék szilárd állapotban kíséri energia felszabadulása:
Hűtés az olvadék alatt az egyensúlyi hőmérséklet iharakterizuyut nevezett túlhűtésével fokú túlhűtés:
Olvadáspont - reverz kristályosodási folyamat - akkor jelentkezik, ha túlmelegedett egyensúlyi hőmérséklete fölé. Az átmenet a szilárd anyag folyékony kíséri az energia elnyelését:
Fűt az olvadék egyensúlyi hőmérséklete fölé iharakterizuyut nevezett túlhevített fokú túlhevítés. DT2 = Tm - Ts.
A különbség a tényleges olvadási és kristályosodási hőmérsékletek - hőmérséklet hiszterézis.
Mechanizmusa a kristályosodási folyamat. Amikor elhaladnak a folyékony fém a szilárd állapotban erősítés a szabad energia (ábra. 2.2, 1. görbe) nagyobbnak kell lennie, az energiafogyasztás a kialakulását a folyadékkristályok, a felület szakasza (2-es görbe). DF szabad energia megváltozása a rendszer határozza meg az algebrai összege a felület S × s és a térfogat V × Df embrió energiák:
ahol S - felületén az embriót; S- fajlagos felületi feszültség a felület; V - a térfogata az embriót; Df - különbség a szabad energia a folyékony és a kristályos állapot egységnyi térfogatra. Méretének növelése az embrió kezdetben növekedéséhez vezet a szabad energia (térfogat zarodyshamal felület esetében nagy), egy bizonyos kritikus érték r0 - csökken (2.2 ábra, görbe 3.). A lehető legkisebb méretű képesek növekedni az embrió úgynevezett kritikus. Germ - rezisztens. Az embriókat vannak kialakítva egymástól függetlenül, a növekvő kristályok szabályos alakú (lásd. Ábra. 2.3). Amikor növés más kristályos formában van törve, a kristályokat nevezzük szemek. A növekedés folytatódik az irányt a visszamaradó folyékony fém szakaszok.
A kialakulását és növekedését a magok megköveteli a diffúziós az atomok a folyékony fém. Mindegyik kristályosodási hőmérséklete (foka túlhűtés) megfelel annak a speciális méretű stabil mag: sekély oldódik a folyadékban, nagy nő. Minél alacsonyabb a hőmérséklet (több fokozatot túlhűtés), annál kisebb a mérete stabil mag, annál gócképződési helyek kialakítva egységnyi idő, annál gyorsabb a kristályosodási folyamat.
Lassú hűtés (ábra. 2.4, 1. sor) mértékét túlhűtés DT1 kicsi (ábra. 2.5), a kristályosodás megy végbe magas hőmérsékleten közel ravnovesnoy.Na hőmérséklet-idő görbe jelenik meg vízszintes platformon, mivel a hőelvezetés kompenzálja során felszabaduló kristályosodási látens hő kristályosodás. Az olvadék egységnyi idő per egységnyi térfogatra van kialakítva malozarodyshey (dimenzió - -3 mm # 8729; s -1), amelyek nőnek nagy kristályok. Új rügyek általában nem alakulnak ki.
A növekvő hűtési sebesség (ábra. 2.4, 2. görbe) kristályosítást végezzük alacsonyabb hőmérsékleten. Az embriók száma növekszik, ebből nő egy csomó apró kristályok formájában. kristályosodási sebesség - lineáris növekedés mértéke kristályok mérete dimenzióban felmentheti mm # 8729; s -1. Ha nagy mértékű túlhűtéssei látens hő szabadul kezdő időpontjában kristályosodás gyorsan, a hőmérséklet meredeken emelkedik.
A növekvő mértékű túlhűtés atomi diffúziós sebessége csökken, a gócképződés és a későbbi növekedésük akadályozza.
A maximális hűtési sebesség (3-as görbe) diffúziója atomok kicsi, a számú nukleációs és kristálynövekedési sebesség nulla, amorf szerkezet - fémüveg.
A mértéke túlhűtés az olvadt fém mennyiségétől függ és a tisztaság. Amikor nagy mennyiségű olvadt fém során felszabaduló kristályosodási hő növeli a hőmérsékletet, hogy közel egyensúlyi; egy kis mennyiségű - a felszabaduló hő nem elegendő, a kristályosodás következik be nagyobb fokú túlhűtés. Jelentős szuperhűtéssel megszilárdulás közben is elérhető, nagyon tiszta fémek. A kereskedelmileg tiszta fémek és ötvözetek alacsony túlhűtés fok: 10-30 ° C Sók, szilikátok, szerves anyagok, éppen ellenkezőleg, hajlamosak a túlhűtés.
Heterogén kristályosodás. Spontán gócképződés történik csak a tiszta folyékony fém. Nukleálását gyakran fordul elő az idegen zárványok (szennyeződések), amelyek mindig jelen vannak az olvadék.
Ha a szennyező atomok és megszilárdult fém azonos kristályrács (szerkezeti faktor) és az atom méretek nem térhet el több, mint 5-7% (méret faktor), az ilyen izomorfak szennyeződések magképző befejeződött. Szerkezeti hasonlóságokat illeszkedő felületek között az embrió és a befogadás csökkenti a kritikus mag mérete. A megszilárdulás kezdődik alacsonyabb túlhűtés, mint amikor a spontán kristályosodás. A nagyobb szennyeződéseket, annál gócképződési és kisebb szemcsék. Ez az úgynevezett heterogén nukleáció. A kristályosodás általában kezdődik a falakon a penész, amely ugyanazt a szerepet, mint a felvétel.
Ha nem izomorf szennyeződések érintkezésben vannak a megszilárdult fém, a szerkezet a felületi réteg változik, alkalmazkodva a szerkezet a fém kristályok - aktiválása szennyeződések. Az aktivált szennyező atomok lerakódott megszilárdult fém.
A folyadékban oldott fém felületaktív szennyeződések őrölni a gabonát, és, hogy módosítsa a formája a növekvő kristályt letétbe helyezésével egy vékony réteg a felületén. Ez csökkenti a felületi energiát a felületen.
módosítás - a bevezetése anyagoknak az olvadék (oltóanyagok), hogy fokozza a mechanikai, technológiai és működési tulajdonságainak öntvények szerkezet őrléssel. További módosítás, primenyayutfizicheskie vozdeystviyana kristályosodó a fémszerkezet. olvadék hőmérséklet-szabályozás és hűtés közben Weir, rezgés, ultrahang, elektromágneses keverés közben, és mások. Bármilyen módszereket és kombinált. módosítók bemeneti és továbbítására rezgések ultrahang-frekvenciával.
Kétféle hatását módosító szerkezetet.
Monoton szemcsefinomítására növekvő módosító tartalmat. Ha a tartalom 0,2-0,6% inkább stabilizálódik.
A nonmonotonic csiszolására gabona optimális koncentrációja 0,01-0,1% területen. A felesleges növekedéséhez vezet a szemcseméret.
A monoton csökkenés szemcseméret növelésével módosító koncentrációja jellemző oldhatatlan anyagot (titán-alumínium) nonmonotonic - a felületaktív anyagok oldható szennyeződések (például cink, magnézium).
Ha megváltoztatjuk az alumíniumötvözetek alkalmazott Ti, V, Zr; acélból - Al, V, Ti. Bór alkalmazunk felületaktív módosítót a nikkel és a vas ötvözetek, magnézium - a vas.
Demodifikatory - Adalékok, amelyek növelik a szemcseméret. Növelik a munka nucleus formáció, késleltetett neveltetése és csökkenti annak valószínűségét, hogy a kristályosodás központ.