Въпрос. Влияние на скоростта на охлаждане върху процеса на кристализация
Кристализацията е образуването на нова твърда фаза, освободена от разтвор, стопилка или пара. Кристализацията от разтвор служи като средство за изолиране на целеви продукти или замърсители от тях, т.е. това е метод за разделяне и пречистване на вещества. В технологията на неорганичните вещества се използва предимно кристализация от разтвори. Образуването на твърда фаза може да се случи само в разтвори, в които концентрацията на кристализиращото вещество надвишава концентрацията на насищане, тоест от пренаситени разтвори
при съответно понижаване на температурата в течния метал започват да се образуват кристали -центрове на кристализация илиядра. За да започне растежът им, е необходимо намаляване на свободната енергия на метала, в противен случай ядрото се разтваря. Минималният размер на зародиш, способен да расте, се наричакритичен размер, а зародишът се нарича стабилен.
С увеличаване на скоростта на охлаждане степента на преохлаждане се увеличава и процесът
кристализацията протича при температури, които са значително по-ниски от равновесната температура на кристализация. Броят на центровете за кристализация и скоростта на растеж на кристалите зависят от степента на преохлаждане; броят на ядрата и скоростта на растежа им при равновесна температура на кристализация Ts са равни на нула. С увеличаване на степента на преохлаждане те се увеличават и достигат максимум. При високи степени на преохлаждане броят на центровете на кристализация и скоростта на растеж са равни на нула, тъй като при ниски температури дифузионната подвижност на атомите е ниска и по този начин способността на системата за трансформация е намалена. Колкото по-висока е скоростта на образуване на ядрата и колкото по-ниска е скоростта на техния растеж, толкова по-малък е размерът на кристала (зърното), израснал от едно ядро, и следователно ще бъде по-финозърнеста структура.метал.
Въпрос 8. Полиморфни превръщания на метали
Някои метали (желязо, титан, кобалт, цирконий и др.) имат различни кристални решетки при различни температури. Това явление се нарича полиморфизъм или алотропия. Процесът на преход от една кристална структура към друга се нарича полиморфна (алотропна) трансформация.
Структурата, получена в резултат на полиморфна трансформация, се нарича алотропна форма. Алотропна форма, която е устойчива при по-ниска температура, се обозначава с индекс , при по-висока температура - , и т.н.
Температурата, при която се осъществява преходът на решетката от един тип към друг, се нарича температура на полиморфна трансформация или температура на рекристализация. В този случай се променят свойствата на метала (плътност, топлопроводимост, топлинен капацитет и др.).
Алотропните трансформации при нагряване протичат с поглъщане на топлина, а при охлаждане - с нейното отделяне. Както по време на нагряване, така и по време на охлаждане, алотропните трансформации се случват с известно закъснение. По този начин температурата на трансформация на -модификация в -модификация, която възниква при нагряване, винаги ще бъде по-висока от температурата на трансформация на в , която се случва при охлаждане. Това явление се нарича хистерезис.
Течното желязо се охлажда до температура от 1539 ° C. При 1539°C на кривата на охлаждане се появява плато. При тази температура желязото се втвърдява и се освобождава латентната топлина на кристализацията. В края на кристализацията и до температура от 1392 ° C желязото има обемно центрирана кубична решетка (Fe).
При 1392 С на кривата се появява втора област, свързана с алотропното превръщане на -желязото (Fe) в -желязо (Fe), което има гранецентрирана кубична решетка.
По време на алотропната трансформация старите зърна изчезват и се появяват нови. Такава трансформация е аналогична на процеса на кристализация: първо се образуват ядра, а след това растат зърната на нова модификация. Тази трансформация е рекристализация.
Следващата област се наблюдава на кривата на охлаждане при температура 911 С поради превръщането на Fe в Fe. Кристалната решетка се променя от лицево-центрирана обратно към тяло-центрирана кубична, която се запазва до най-ниските температури.
Областта на кривата на охлаждане, съответстваща на температура 768 С, е свързана не с пренареждане на кристалната решетка, а с пренареждане на електронните обвивки на атомите и промяна на магнитните свойства. Под 768°C желязото е магнитно, а над 768°C не е магнитно.
Понякога немагнитното желязо Fe се нарича Feβ, а високотемпературната модификация Fe (в диапазона 1392 ... 1539 С) се нарича Fe.
Полиморфните трансформации се срещат както в чисти метали, така и в сплави.
Металите, които имат само един тип кристална решетка, се наричат изоморфни (никел, мед, хром, волфрам и други).
Въпрос 9. Еластична и пластична деформация.
Деформациятае промяна във формата и размерите на тялото под действието на външни сили. Имаеластичниипластичнидеформации. Еластична се нарича деформация, чието влияние върху формата, размера, структурата и свойствата на тялото изчезва след прекратяване на действието на външни сили. При еластична деформация под действието на натоварване се получава незначително относително и обратимо преместване на атомите. При разтягане на единичен кристал разстоянието между атомите се увеличава, а при компресиране намалява. В резултат на изместването на атомите от равновесното положение се нарушава балансът на силите на привличане и отблъскване. Ето защо, след премахваненатоварвания, разместените атоми под действието на сили на привличане или отблъскване се връщат в равновесното си положение. Кристалът възвръща първоначалната си форма и размер.
В случай на увеличаване на напреженията на срязване над определена стойност, деформацията става необратима. Когато натоварването се премахне, само еластичният компонент на деформацията изчезва, останалата част от деформацията се нарича пластична. По време на пластичната деформация структурата на метала се променя, а оттам и неговите свойства.
Въпрос 10 Крехка фрактура
ПОВРЕДА НА МЕХАНИЗМА. Повредата на метални конструктивни елементи може да се дължи на грешен избор на метал или сплав за този тип приложение, метални дефекти, грешки в проектните изчисления или отклонения в работните условия от посочените по време на проектирането.
крехка фрактура - отделяне на едни слоеве атоми от други под действието на нормални напрежения на опън. Разделянето не е придружено от предварителна деформация. Механизмът на възникване на пукнатини е един и същ - поради натрупване на движещи се дислокации пред препятствие (граници на субзърната, фазови граници), което води до концентрация на напрежение, достатъчна за образуване на пукнатини. Когато напреженията достигнат определена стойност, размерът на пукнатината става критичен и по-нататъшното нарастване е произволно.
Крехката фрактура се характеризира с остра, често разклонена пукнатина. Стойността на зоната на пластична деформация в устието на пукнатината е малка. Скоростта на разпространение на крехка пукнатина е висока, близка до скоростта на звука (внезапна, катастрофална повреда). Енергийният интензитет на крехкото счупване е малък и работата на разпространението на пукнатината е близка до нула.
Въпрос 11 Пластична фрактура
РАЗРУШАВАНЕ НА МЕХАНИЗМИ. Повреда на метална конструктивните елементи може да се дължи на грешен избор на метал или сплав за този вид приложение, дефекти на метала, грешки при изчисляването на конструкцията или отклонения в работните условия от посочените по време на проектирането.Дустилно счупване - чрез срязване под действието на срязващи напрежения. Винаги се предхожда от значителна пластична деформация.
Пукнатината е тъпо отваряне. Размерът на пластичната зона пред пукнатината е голям. Ниска скорост на разпространение на пукнатини. Енергийната интензивност е значителна, енергията се изразходва за образуване на интерфейси и за пластична деформация. Много работа отива в разпространението на пукнатини. Повърхността на фрактурата не е гладка, разпръсква светлинни лъчи, матова (влакнеста) фрактура. Равнината на счупване е под ъгъл.