Основы теории плавления и отвердевания металлов

1.

Южно-Уральский государственный университет
(национальный исследовательский университет)
Кафедра пирометаллургических процессов
Основы теории плавления и
отвердевания металлов
Профессор
доктор технических наук
заведующий кафедрой
Рощин Василий Ефимович
г. Челябинск

2.

3. ДИАГРАММА АГРЕГАТНЫХ СОСТОЯНИЙ ВЕЩЕСТВА

4. ДИАГРАММА АГРЕГАТНЫХ СОСТОЯНИЙ ВЕЩЕСТВА

5. СХЕМА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ДВУХ АТОМОВ

6.

Объединение атомов в молекулу происходит
самопроизвольно благодаря взаимной поляризации.
Сила кулоновского притяжения атомов обратно
пропорциональна R5, а сила борновского отталкивания
обратно пропорциональна R7. Поэтому образуется
«потенциальная яма».

7. СХЕМА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ДВУХ АТОМОВ – ИДЕАЛЬНЫЙ КРИСТАЛЛ И ИДЕАЛЬНЫЙ ГАЗ

8. МЕТАЛЛЫ В ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ ЭЛЕМЕНТОВ

9.

МЕТАЛЛЫ В ПЕРИОДИЧЕСКОЙ
СИСТЕМЕ ЭЛЕМЕНТОВ

10. СХЕМА ОБРАЗОВАНИЯ МОЛЕКУЛЫ ВОДОРОДА

При объединении атомов в молекулу один электрон должен поменять спин
(принцип Паули). Поэтому молекула не просто сумма двух атомов – это
новое состояние вещества!
После объединения двух атомов водорода внешний электронный уровень
1S оказывается полностью заполненным. На этом присоединение атомов к
молекуле водорода заканчивается.

11. МОЛЕКУЛА ВОДОРОДА

12. СХЕМА ОБРАЗОВАНИЯ «МОЛЕКУЛЫ» МЕТАЛЛА

Молекула не просто сумма атомов – это новое состояние вещества!

13. «МОЛЕКУЛА» МЕТАЛЛА (кристалл)

Поскольку все ионы одинаково взаимодействуют друг с другом,
то они должны быть равноудалёнными друг от друга, т.е образовать
Кристаллическую решётку

14.

Модель П. Друде
Кристаллическая решётка металлов состоит из двух
подсистем:
1) остова, образованного положительными ионами;
2) электронного газа.
Первая подсистема определяет преимущественно
механические свойства металла, вторая – физические. В
целом же индивидуальные свойства того или иного металла
определяются еще и взаимодействием этих двух подсистем

15. ДВИЖЕНИЕ ИОНОВ В «ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЯМЕ» КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЁТКИ

При относительно невысокой
температуре кинетическая
энергия меньше потенциальной
энергии связи, и ион совершает
колебания около центра равновесия
в «потенциальной яме».
При высокой температуре
энергия движения превышает энергию
связи, и ион «выскакивает из ямы».

16. ОБРАЗОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКИХ ВАКАНСИЙ И «ДЕФЕКТНЫХ» ИОНОВ

Дефекты Френкеля
Дефекты Шоттки
При нагреве до температуры плавления
концентрация вакансий достигает примерно 1,0...1,5%

17. ТЕРМИЧЕСКОЕ РАСШИРЕНИЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЁТКИ (причина – несимметричность колебаний)

При нагреве до температуры плавления
увеличение объёма (по сравнению с
Т = 0 К) составляет около 6%

18. В результате образования термических дефектов и увеличения параметра кристаллической решётки при нагревании абсолютно все тела

расширяются

19. При переходе через точку плавления никаких новых процессов в кристаллической решётке не происходит. Температура плавления

характеризуется достижением
критической концентрации дефектов в решётке.
Поскольку концентрация термических
дефектов всегда равновесна температуре,
то перегреть кристалл выше температуры
плавления невозможно!

20. МОДЕЛЬ ПЛАВЛЕНИЯ ФРЕНКЕЛЯ

При увеличении параметров решётки на
10...15% кристалл должен рассыпаться на
отдельные фрагменты: частицы должны
потерять связь друг с другом (испариться),
а затем собраться в отдельные компактные
группы

21. МОДЕЛЬ ПЛАВЛЕНИЯ Я.И. ФРЕНКЕЛЯ (модель образование микротрещин)

22. МОДЕЛЬ СТУКТУРЫ РАСПЛАВЛЕННЫХ МЕТАЛЛОВ (модель сиботаксисов)

23. МОДЕЛЬ СТУКТУРЫ РАСПЛАВЛЕННЫХ МЕТАЛЛОВ (модель примесных кластеров: Fe30Cr, Fe500C, Fe3000O)

24. МОДЕЛЬ СТУКТУРЫ ПЕРЕГРЕТЫХ РАСПЛАВЛЕННЫХ МЕТАЛЛОВ

Вблизи температуры плавления
Значительно перегретый расплав
(статистическая жидкость)

25. ОБРАЗОВАНИЕ НОВОЙ ФАЗЫ ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ ПЕРЕГРЕТЫХ РАСПЛАВОВ При кристаллизации должен образоваться зародыш новой фазы

G 0
G = GV + GF + Gдеф
Gдеф= 0
G = GV + GF
GV = gV ·V,
GF = ·F.
(1)
gV = gтв – gж
V = 4/3 r3, F = 4 r2
G = ( gV ·4/3 ) · r3 + ( ·4 ) · r2 (2)
G = · r3 + ·r2
(3)

26. ОБРАЗОВАНИЕ НОВОЙ ФАЗЫ НЕВОЗМОЖНО БЕЗ ПЕРЕОХЛАЖДЕНИЯ

G = · r3 + ·r2
= gV ·V ( >0; =0; <0)
= ·F
( >0)

27. ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ МЕТАЛЛОВ В ОКСИДАХ

G 0
G = GV + GF + Gдеф
1.
gV = gмет – gокс
GV < 0
2. Gдеф≠ 0;
Vмет<Vокс; V = Vмет-Vокс< 0;
Gдеф< 0
3.
GF = ·F
мет < окс
G = - GV - GF - Gдеф
GF < 0

28. ОБРАЗОВАНИЕ НОВОЙ ФАЗЫ ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ МЕТАЛЛОВ НЕ ТРЕБУЕТ ПЕРЕСЫЩЕНИЯ!

G = - · r3 - ·r2 - · r3

29. С УВЕЛИЧЕНИЕМ ПЕРЕОХЛАЖДЕНИЯ УМЕНЬШАЕТСЯ КРИТИЧЕСКИЙ РАДИУС ЗАРОДЫША И СНИЖАЕТСЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАРЬР

30. С УВЕЛИЧЕНИЕМ ПЕРЕОХЛАЖДЕНИЯ ВОЗРАСТАЕТ ИНТЕНСИВНОСТЬОБРАЗОВАНИЯ ЗАРОДЫШЕЙ (1), НО УМЕНЬШАЕТСЯ СКОРОСТЬ ИХ РОСТА (2)

I = A1з·
e
Gmax GD
kT

31. ОТВЕРДЕВАНИЕ БЕЗ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

С увеличением переохлаждения увеличивается вязкость. При = 1012 Па с
диффузия практически прекращается, наступает отвердевание без
кристаллизации (стеклование). Для отвердевания металлов без кристаллизации
критическая скорость охлаждения составляет 1013 град/с
1 – металл, 2 – силикатный расплав

32. ПРИМЕРЫ СПЛАВОВ, СПОСОБНЫХ ОТВЕРДЕВАТЬ БЕЗ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ПРИ Vохл  106град/с

ПРИМЕРЫ СПЛАВОВ, СПОСОБНЫХ ОТВЕРДЕВАТЬ
БЕЗ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ПРИ Vохл 106град/с

33. СИСТЕМЫ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ АМОРФИЗИРУЮЩИХСЯ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ И ЭЛЕМЕНТОВ-АМОРФИЗАТОРОВ

Неметаллы – аморфизатор
ы
Переходные
металлы
Элемент
Радиус, нм
Элемент
Радиус, нм
Mn
0,091
B
0,020
Fe
0,087
C
0,020
Co
0,082
Si
0,039
Ni
0,078
P
0,035
Cu
0,096
Ge
0,044

34. ПАРАМЕТРЫ АМОРФИЗАЦИИ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА И НИКЕЛЯ И ЭЛЕМЕНТОВ-АМОРФИЗАТОРОВ

Сплав
Температура
плавления
Тпл, К
Температура
стеклования
Тстекл, К
Разность
Отношение
Тстекл /Тпл
Критическая
скорость Vкр,
Тпл–Тстекл, К
Ni
1725
425
1300
0,25
3,0·1010
Fe91B9
1628
600
1028
0,37
2,6·107
Fe89B11
1599
640
959
0,40
3,0·107
Fe83B17
1448
760
688
0,52
1,0·106
Fe41,5Ni41,5 B17
1352
720
632
0,53
3,5·105
Fe79Si10B11
1419
818
601
0,58
1,8·105
Fe80P13C7
1258
736
522
0,59
2,8·104
К/с

35. Получение аморфных металлов из равновесных состояний

Aтомы металла
(газ, растворы)
Конденсация-испарение
Конденсация
(вакуумное напыление,
катодное распыление,
ионное осаждение,
реакции в газовой фазе)
Закалка жидкого
состояния
Жидкий металл
(расплав)
Кристаллизация-плавление
Аморфизация кристаллов
Аморфный
(интенсивная пластическая деформация,
(нанокристаллический)
ионная имплантация, облучение,
металл
воздействие ударной волны)
Кристаллический
металл

36. Получение аморфных металлов методом интенсивной пластической деформации

37.

Южно-Уральский государственный университет
(национальный исследовательский университет)
Кафедра пирометаллургических процессов
Спасибо за внимание!
Рощин Василий Ефимович