Методичка: Методика обучения по дисциплине Материаловедение

Как видно из рис. 8, для сплавов таких систем можно проводить упрочняющую термическую обработку.

2.8 Задание для выполнения работы

1. Рассмотреть подробно диаграмму состояния сплава по указанию преподавателя (с анализом процессов, идущих при охлаждении или нагревании сплавов, разбором фаз, образующихся во всех областях диаграммы, объяснением значения линий на диаграмме).

3. Перспективно-тематический план по дисциплине «Материаловедение»

3.1 Лабораторная работа №3

Изучение процесса кристаллизации

Цель работы: изучить процесс кристаллизации капель раствора четырёх солей. Сравнить строение закристаллизовавшейся капли раствора нитрата свинца со строением слитка спокойной стали.

Содержание работы

Процесс образования кристаллов называется кристаллизацией. Визуальное изучение кристаллизации металлов сопряжено с техническими трудностями. Поскольку законы кристаллизации растворов солей и расплавленных металлов сходны, изучение процесса кристаллизации можно проводить на растворах солей. Согласно законам термодинамики, устойчивым состоянием при определённых внешних условиях будет то состояние, которое обладает меньшим уровнем свободной энергии. Под свободной энергией понимают часть внутренней энергии, которая может быть превращена в работу. При изменении внешних условий (например, при понижении температуры) любая система самопроизвольно стремится к состоянию с наименьшим уровнем свободной энергии.

С изменением температуры свободная энергия ходкого F_ж и твёрдого F_т состояния изменятся по разным законам (рис. 7). При высоких температурах жидкое состояние обладает меньшей свободной энергией, поэтому металл при этих температурах находится в жидком состоянии (области III, IV). При охлаждении металл достигнет температуры Т_о, при которой свободные энергии жидкого и твёрдого состояния равны. Эта температура Т_о носит название теоретической (равновесной) температуры кристаллизации при охлаждении и температуры плавления при нагреве. При Т_о процесс кристаллизации протекать не может. Для развития процесса кристаллизации надо создать условия, при которых свободная энергия твёрдого состояния будет меньше, чем свободная анергия жидкого состояния. Это возможно лишь при охлаждении до Т_кр, т.е. ниже теоретической температуры кристаллизации на некоторую величину Т. В области II металл при охлаждении продолжает оставаться в жидком состоянии, поскольку разность (F_ж - F_T), невелика. При Т_кр твёрдое состояние обладает меньшей свободной энергией. Разность (F_ж - F_T), достаточно велика, поэтому оставаться дальше в жидком состоянии металл не может, и при этой температуре в металле самопроизвольно пойдет процесс кристаллизации.

В области I (рис. 7) металл будет находиться в твердом состоянии. Температура Т_кр носит название фактической температуры кристаллизации, а разность между теоретической и фактической температурами кристаллизации Т = Т_о - Т_кр называется степенью переохлаждения. Таким образом, кристаллизация может протекать лишь в условиях переохлаждения ниже теоретической температуры кристаллизации.

Д.К. Чернов ещё в 1878 году показал, что кристаллизация складывается из двух элементарных процессов. Первый процесс заключается в образовании из жидкого раствора мельчайших кристаллических частиц-зародышей или центров кристаллизации. Интенсивность этого процесса определяется числом зародышей (ЧЗ), возникающих в единице объёма (I мм³) за единицу времени (1 с). Второй процесс состоит в росте кристаллов из зародышей. Интенсивность этого процесса определяется скоростью кристаллизации (СК) - линейным перемещением грани кристалла (в миллиметрах) в единицу времени (1 с).

Для развития процесса плавления необходима некоторая степень перегрева

Т' = Т_пл - Т_о,

где Т_пл - фактическая температура плавления.

Оба этих процесса протекают одновременно, причём интенсивность их зависит от степени переохлаждения. При данной степени переохлаждения величины Ч3 и СК - постоянные в течение всего времени процесса кристаллизации.

Рис. 7. Изменение свободной энергии жидкого F_ж и твёрдого F_T состояния в зависимости от температуры

Т_кр - фактическая температура кристаллизации;

То - теоретическая (равновесная) температура кристаллизации и плавления;

Т = Т_о - Т_кр - степень переохлаждения;

Т_пл - фактическая температура плавления;

Т' = Т_пл - Т_о - степень перегрева

Размер полученных кристаллов N зависит от соотношения Ч3 и СК при данной степени переохлаждения и выражается формулой

Н = б

где б - коэффициент пропорциональности.

При малой степени переохлаждения Т₁ (рис. 8) кристаллы после затвердевания будут крупными, так как Ч3 мало, а СК велика. При большой степени переохлаждения Т₂ кристаллы будут мелкими, так как кристаллизация в этом случае идёт при почти той же СК, что и в первом случае, но при значительно большем Ч3.

Таким образом, изменяя степень переохлаждения, можно получить кристаллы разной величины.

Степень переохлаждения зависит от скорости охлаждения. Чем больше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждения и мельче кристаллы. В реальных условиях затвердевания больших масс металла на процесс кристаллизации, размер и форму кристаллов оказывают влияние и другие факторы: твёрдые взвешенные тугоплавкие частицы примесей, инородные тела, газовые включения, теплоёмкость самого металла, направление отвода тепла, конвекционные потоки в жидком металле, температура заливаемого металла и формы, способы заливки, состояние поверхности изложницы (формы) и другие.

Чаще всего при кристаллизации металлов в результате быстрого отвода тепла образуются кристаллы древовидной формы, называемые дендритами («дендрон» - по-гречески - дерево) (рис. 9). Кристаллизация начинается с образования главной оси кристалла а (оси первого порядка). Она растёт в направлении главного теплоотвода, в направлении максимальной линейной скорости роста кристалла СК. Затем перпендикулярно главной оси растут оси второго порядка б, перпендикулярно которым вырастают оси третьего порядка в и т.д.

Если жидкого металла не хватает для заполнения межосных пустот, то древовидная форма кристаллов сохраняется. Такие дендриты можно обнаружить в усадочных раковинах и на свободной поверхности слитков. Если жидкого металла достаточно для заполнения межосного пространства, то образуются крупные кристаллы, вытянутые в направлении главного теплоотвода. Такие кристаллы называются столбчатыми.

При равномерном теплоотводе, а также при большом числе зародышей, кристаллы растут с одинаковой скоростью по всем направлениям и вырастают равноосными.

Процесс кристаллизации слитка спокойной стали (рис. 10) начинается у стенок изложницы и последовательно продвигается к центру слитка.

У стенок изложницы образуется зона 1 - зона мелких равноосных, беспорядочно направленных кристаллов. Мелкие кристаллы получаются, благодаря быстрому охлаждению ещё холодной стенкой прилегающих слоев жидкой стали.

Рис. 8. Зависимость ЧЗ и СК от степени переохлаждения при кристаллизации металлов

Рис. 9. Дендрит

Поэтому кристаллизация здесь идёт при большой степени переохлаждения, при большом числе зародышей. Кристаллы получаются равноосными, беспорядочно направленными, потому что оси первого порядка растут перпендикулярно неровностям внутренней поверхности изложницы. Растущие кристаллы сталкиваются между собой и образуют зону мелких дезориентированных кристаллов.

Следующая зона 2 - зона столбчатых кристаллов - крупных кристаллов, главная ось которых перпендикулярна стенке изложницы. Кристаллы получаются крупными, так как в этой зоне скорость охлаждения меньше, чем в зоне 1: тепло отводится не холодной стенкой, а через зону 1 и уже нагревшуюся стенку изложницы.

Поэтому кристаллизация здесь идёт при малой степени переохлаждения, при малом числе зародышей. Кристаллы вытянуты главной осью перпендикулярно стенке изложницы, так как в этом направлении едет главный теплоотвод. В центре слитка образуется зона 3 - зона крупных равноосных кристаллов. В этой части слитка скорость охлаждения меньше, чем в зоне 1 и 2, поэтому кристаллизация идет при малой степени переохлаждения, при малом числе зародышей.

Кристаллы получаются равноосными, произвольно ориентированными, так как отвод тепла в этой зоне идет во всех направлениях с одинаковой скоростью. Скелетом этих крупных кристаллов являются дендриты.

В настоящей работе студенты изучают процесс кристаллизации четырёх солей (нитрата свинца Рв(NO₃)₂, хлорида аммония NH₄Cl, дихромата калия - хромпика К₂Сr₂0₇, хлорида натрия - поваренной соли NaCl), вызванный испарением растворителя.

Водные растворы этих солей приготавливаются почти насыщенными с тем, чтобы незначительное испарение воды привело их к состоянию перенасыщения и выделению кристаллов.

Рис. 10. Схема строения стального слитка: зона 1 - мелкие равноосные кристаллы; зона 2 - столбчатые кристаллы; зона 3 - крупные равноосные кристаллы

Наблюдение за процессом кристаллизации солей производится с помощью биологического микроскопа, работающего по принципу проходящего света (рис. 11). Лучи от естественного источника света, отразившись от зеркала микроскопа, проходят через отверстие предметного столика, предметное стекло, каплю соли и попадают в объектив. Полученное в объективе изображение капли увеличивается им и окуляром. Пройдя через окуляр, лучи попадают в глаз наблюдателя. Наблюдение за кристаллизацией капель в этой работе проводится при увеличении, но более чем в 100 раз.

Порядок выполнения работы

1. Глядя в окуляр, вращать зеркало микроскопа, добиваясь яркого освещения (получить светлое поле).

2. Предметное стекло с нанесенной на него каплей соли установить на предметный столик так, чтобы капля была в центре отверстия предметного столика.

3. Произвести грубую настройку на фокус, для чего смотреть одним глазом в окуляр и держа второй глаз открытым, вращать винт грубой подачи, поднимая тубус до тех пор, пока не появится изображение капли.

4. Вращением микрометрического винта произвести тонкую настройку на фокус.

5. Перемещать предметное стекло по предметному столику, наблюдая за кристаллизацией сначала у краёв капли, а затем в центре капли.

6. По мере появления кристаллов производить зарисовку в журнал, передавая при этом особенности их строения.

7. Исследование начинать с капли нитрата свинца, так как его кристаллизация идёт аналогично кристаллизации слитка спокойной стали. Наибольшее испарение будет у краёв капли, так как тут уровень жидкости наименьший. Поэтому здесь концентрация соли раньше, чем в других местах, достигнет предела насыщения и начнут выпадать кристаллы. Здесь образуются мелкие равноосные кристаллы.