Лекция 3

1. Процесс кристаллизации расплава и его влияние на структуру и свойства металлов

2. Общие представления о процессе кристаллизации

1. Стимул кристаллизации
Кристаллиза́ция — процесс образования кристаллов из газов, растворов, расплавов или стёкол.
Почему идет кристаллизация? Какой стимул?
Атомы
В расплаве
Интенсивно перемещаются,
расположены хаотично
В кристалле
Колеблются около положения
равновесия, расположены
регулярно на расстоянии периода
решетки а
Необходим минимум
энергии!

3. Энергетические условия процесса кристаллизации

Энергетическое состояние системы, характеризуется свободной энергией F
F = U-TS
U – внутренняя
энергия системы
Т – температура
S - энтропия
T0 – равновесная (теоретическая температура
кристаллизации)
Tф – фактическая температура кристаллизации
∆T = T0-Tф – степень переохлаждения (разница
между
теоретической
и
фактической
температурами кристаллизации)
Для того, чтобы началась кристаллизация, необходимо охладить ниже равновесной температуры на величину
∆T, когда свободная энергия в твердом состоянии будет ниже свободной энергии в жидком состоянии. Процесс
кристаллизации начинается с образования зародышей

4.

2. Образование зародышей (центров кристаллизации)
Процесс кристаллизации начинается с образования кристаллических зародышей (центров
кристаллизации) и продолжается в процессе роста их числа и размеров.
Центр кристаллизации — это зародыш твердой фазы в расплаве, из которого вырастает кристалл.
1. По мере развития процесса кристаллизации процесс сначала протекает быстро, образуется большое
количество центров кристаллизации, пока взаимное столкновение растущих кристаллов не начинает
препятствовать их росту. Рост кристаллов замедляется
2. В процессе кристаллизации, пока кристалл окружен жидкостью, он часто имеет правильную форму, но при
соприкосновении кристаллов и срастании их форма нарушается

5.

Скорость процесса кристаллизации количественно определяется: скоростью зарождения центров
кристаллизации и скоростью роста кристаллов
Количество зародышей зависит от степени переохлаждения расплава ∆T.
∆T зависит от скорости теплоотвода:
1) Если ∆T мало, то образуется мало зародышей,
они растут быстро, получаем крупное зерно;
2) Если ∆T велико, то образуется много зародышей,
они растут медленно, получаем мелкое зерно

6.

Процесс кристаллизации всегда ведет к уменьшению внутренней
энергии системы, протекает самопроизвольно, всегда выделяется тепло
Кристаллизация
(выделение
тепла)
Чистый
металл А
Кристаллизация
(выделение
тепла)
Твердый
раствор А(В)

7.

8.

3. Рост кристалла из расплава
1) Кристалл растет путем послойного заполнения атомных плоскостей
2) С большей скоростью заполняются наиболее плотноупакованные плоскости, кристалл из
расплава растут в одну сторону (под углом 90 ⁰ к плотноупакованной плоскости)
Дендритное строение кристаллов

9.

10.

4. Строение слитка (заготовка, полученная путем литья)

11. Возможности получения разной структуры при охлаждении расплава

1. Получение отливок с мелким зерном
Необходимо устранить столбчатые кристаллы, в данном случае не будет неоднородности.
КАК?
Если сечение изделия
небольшое,
то
необходимо
ускорить
охлаждение и отливать в
металлическую форму
Если сечение изделия
большое,
то
необходимо
использовать
искусственные
зародыши
модификаторы

12.

2. Получение монокристалла
Монокристалл — отдельный кристалл, имеющий непрерывную кристаллическую решётку.
Для получения монокристалла скорость охлаждения должна быть очень маленькой, отводить тепло
необходимо в одну сторону.
Метод Чохральского

13.

14.

3. Получение аморфного металла
Аморфные металлы (металлические стёкла) — класс металлических твёрдых тел с
аморфной структурой, характеризующейся отсутствием упорядоченного кристаллического
строения.
Для получения аморфного металла скорость охлаждения должна быть максимальной
(больше 10^6 ⁰c/cек)

15.

16.

17. Процесс пластической деформации и его влияние на структуру и свойства материалов

18. Деформация

Деформация – это изменение формы материала под воздействием усилия. Бывает упругая и
пластическая
Упругая деформация подчиняется закону Гука,
она
происходит
засчет
изменения
межплоскостного
расстояния,
решетка
сжимается и расширяется.
Пластическая деформация сопровождается
изменением формы и размеров тела.
Механизмы ПД
Скольжение
Двойникование

19.

1. Деформация идеальной кристаллической решетки
Для пластической деформации идеального кристалла необходимо одновременно разорвать все связи
между атомами в плоскости сдвига и переместить часть кристалла на расстояние кратное периоду
решетки а.
Например, для Fe необходимое усилие – 14000 Мпа

20.

2. Пластическая деформация реального кристалла
При пластической деформации реального кристалла не происходит разрыва межатомных связей в
плоскости скольжения, а происходит перемещение дислокаций под воздействием внешних усилий.
Процесс пластической деформации называется сдвигово – дислокационным.

21. Итоги

1. Скольжение дислокаций не требует значительных усилий
2. Связи разрываются не все и не сразу
3. Атомы смещаются на расстояния много меньше межатомного а
4. Особенно легко дислокации смещаются в направлении вектора
Бюргерса, в наиболее плотноупакованных плоскостях и
направлениях

22. Изменение структуры и свойств металла в процессе деформации

Монокристалл:
I – Стадия легкого скольжения.
При приложении небольшого усилия начинается
скольжение дислокаций в одной наиболее благоприятной
системе скольжения
II – При увеличении напряжения начинается стадия
множественного скольжения. Дислокации скользят по
менее благоприятным системам скольжения. Дислокации
взаимодействуют друг с другом и мешают перемещению
1 – Монокристалл
2 - Поликристалл
III – Стадия поперечного скольжения.
возрастают и металл разрушается
Напряжения

23. Итоги

1. По мере развития пластической деформации количество
дефектов увеличивается, из взаимодействие увеличивается,
подвижность уменьшается, сопротивление деформированию
растет, в результате металл упрочняется - наклепывается

24. Деформация поликристалла

ε=0 %
ε=1 %
ε=80 %
1. Нет стадии легкого скольжения из-за присутствия границ зерен, которые мешают
двигаться дислокациям
2. Поликристалл наклепывается сильнее
3. После сильной деформации зерна вытягиваются, а их кристаллическая решетка
приобретает одинаковую ориентацию (формируется текстура деформации)

25. Влияние пластической деформации на свойства металла

Под влиянием пластической
деформации прочность и
пластичность
изменяются
противоположным образом:
прочность увеличивается, а
пластичность снижается

26. Изменение структуры и свойств деформированного металла при нагреве

1. Возврат – процесс возврата подразделяется на отдых и
полигонизацию
1.1. Отдых – перераспределение и уменьшение количества вакансий
1.2. Полигонизация – перераспределение и уменьшение количества
дислокаций
В результате этих процессов происходит перераспределение дефектов под воздействием
температуры, металл стремится к более равновесному состоянию. Свойства меняются
незначительно

27. Рекристаллизация

Рекристаллизация – процесс образование новых (практически
бездефектных) зерен на деформированной структуре. Процесс
рекристаллизации обусловлен диффузионными процессами и
переходом менее равновесного состояния к более.
Рекристаллизация
собирательную.
делится
на
первичную,
вторичную
и

28. Рекристаллизация

Рекристаллизация – это образование новых кристаллических зерен с помощью других. Данный
процесс происходит при повышении температуры.
t=550 C
t=600 C
t=800 C
Первичная рекристаллизация
Собирательная рекристаллизация
Tp = K*Tпл – температура рекристаллизации зависит от температуры плавления и чистоты металла

29.

Влияние нагрева на свойства деформированного металла

30. Критическая степень деформации

Критическая
степень
деформации – это такая
минимальная
степень
деформации, при которой
после рекристаллизации не
будет
происходить
образование и рост новых
зерен

31. Влияние степени предварительной деформации на размер рекристаллизованного зерна

При увеличении степени предварительной деформации размер зерна уменьшается засчет
образования большего количества центров рекристаллизации

32. Особенности применения пластической деформации

Пластическая
деформация
горячая
холодна
tдеф < tярек
1.
Изменить форму и размеры
тела
2. Упрочнить
3. При холодной деформации
возникает наклеп
4. В структуре получаем
волокнистую структуру
2.
tдеф > t рек
1. Изменить форму и размеры тела
Наклеп снимается в процессе деформации, т.к.
идет процесс рекристаллизации
3. В структуре получаем мелкое зерно