Кристалдану үрдісінің негізгі заңдылықтары

Пән: Физика
Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 8 бет
Таңдаулыға:

Мазмұны

Кристалдану үрдісінің негізгі заңдылықтары . . . 2
Пайдаланылған әдебиет . . . 8

Кристалдану үрдісінің негізгі заңдылықтары

Көптеген металл бұйымдар оларды жасау технологиясынан тәуелсіз, поликристалл денелер, яғни, металл балқымадан кристалдану кезінде түзілетін кристаллиттер немесе дәнекшелер жиынынан тұратыны белгілі.

Металл дәнекшелерінің өлшемдері мен пішіндерінен бұйымдардың механикалық қасиеттеріне тигізетін әсері күшті. Бұйымдардың қызмет температурасына байланысты бұл әсер әр түрлі болады. Бұл дәнекшелер тегі мен шекаралар қасиеттеріне, ең бастысы шекараларда кристалдық торлар ақауларының және тез балқитын қоспалардың шоғырлануымен байланысты. Дәнекшелер шекаралары металл бұйымдарының басқа да эксплуатациялық қасиеттеріне әсер етеді.

Кристалдану теориясынан қорытпалардың сұйық күйден қатты күйге өтуі балқыманың суынуы болған кезде ғана жүретіні белгілі, басқа барлық жағдайда балқыманың суыну жылдамдығы неғұрлым жоғары болса, оның суынуы да тез болады. Кристалдық құрылымның қалыптасуы кристалда-нудың бастапқы нүктесі (түйіршіктері) қалыптасуы және олардың өсуі нә-тижесінде жүреді. Тұрақтылығы мен өсуді қамтамасыз ететін түйіршіктің ең кіші өлшемі критикалық деп аталады. Балқыманың суыну дәрежесінің өсуімен түйіршіктердің қалыптасу жылдамдығы мен кристалдардың түзу-лік өсу жылдамдығы артады (1. 1-сурет) .

Безымянный.png

1. 1 -суынумен кристалдану,

2-аморфты қатаюы, 3-бөлек алаңдардағы кристалдану

Түйіршіктердің қалыптасу жылдамдығы жоғары және олардың өсу жылдамдығы неғұрлым төмен болса, соғұрлым, бір түйіршіктен өсіп шыққан кристалл өлшемдері кіші, алынатын құйма металының құрылымы ұсақ дәнекшелі болады.

Суыну жылдамдығы төмен (суыну шамасы үлкен емес), түйіршіктер саны аз болған кезде, нәтижесінде ірі дәнекше қалыптасады. Суыну жылдамдығы артуымен (суыну дәрежесі өседі) түйіршіктердің түзілу жылдамдығы кристалдардың өсу жылдамдығынан артық болады, осының салдарынан қатаятын металл құрылымы неғұрлым, ұсақ дәнекшелі болып шығады.

Кристалдану кезінде аса суыту құбылыс ретінде 1724 жылы Фаренгейттің суда жүргізген тәжірибелері кезінде ашылды. Кристалдану кезінде оңай балқитын металдардың 2-10С-ға аса суитынын температура-ны өлшей бастағанда бірден тіркеуге болады. 40-шы жылдардың басында темірді 2000С -ға дейін аса суытуға қол жетті. В. И. Данилов және Д. С. Каменецкая металдардың ұсақ тамшыларының кристалдануын бақылап отырып, одан да асқан аса суытуды тіркеді. И. С. Мирошниченко жұқа қабықшалардың кристалдануын зерттеп, металдардың аморфтық қалпы алынатын суытудың үлкен жылдамдықтарына (108 град/с-қа дейін) қол жеткізді.

Кристалданушы металдың шағын массаларының орталықтарындағы температура аса қыздыруды алған соң, аса суыту бар кезде тепе-тең крис-

талдану нүктесінен төмен түсуін жалғастырады (1. 1-сурет), қандай да бір

минималды мәнге жеткен соң температура қайта өсе бастайды. Бұл

кристалданудың басталуына сәйкес келеді. Кристалдану жылуы аса суыған

металды кристалданудың тепе-тең температурасына дейін қыздырады.

Осыдан кейін процесс тоқтайды да, температура біраз уақытқа тұрақтылығын сақтайды және ол кристалдану нүктесіне сәйкес келеді (1-қисық) . Егер суыту жылдамдығы өте үлкен болса, онда аса суытудың мәні зор болады, яғни кристалдану толығымен басылады (2-қисық) .

30-жылдары академик Н. Т. Гудцов және оның шәкірттері алғашқы рет болат және басқа қорытпалардың үлкен массаларының кристалдануы кезінде температураларды өлшеу техникасын игерді.

Өлшеулердің көрсетуі бойынша мұндай массалардың орталықтарындағы температураны нақты шарттарда өлшеу кезінде аса суыту температуралық қисықтардың бастапқы учаскелерінде кездеспейді, ол кристалдану фронтының алдында, тар облыста пайда болады (3-қисық) . Әрі қарай өткізілген зерттеулердің нәтижесінде кристалдану кезеңінің алдында, нақты шарттарда сұйық металл 0, 1-0, 010С шамасына аса суынады. Бұл жағдайда тек тізбекті кристалдану ғана өтеді. Ол құйма бетінен басталып, бірте-бірте оның ортасына дейін таралады. Кристалдану жылуын өсіп келе жатқан кристалдардан алыстатудың бір ғана әдісі бар - оны ертерек қатып қалған қабат арқылы құйма бетіне, одан кейін қалыпқа және айналадағы ортаға жеткізу.

Егер құйманың ортаңғы бөлігінде орналасқан және кристалдану нүктесіне тең температурасы бар сұйық металға кристалл кіргізсе, ол айналадағы ортаның температурасына ауысады да, әрі қарай өспейді де, балқымайды да. Бұндай кристалл құйманың қатты бөлігіне бет жақтан қозғалып келе жатқан кристалдану кезеңі келіп жеткенде ғана қосылады.

Аса суытудың суыту жылдамдығына тәуелділігін анықтау үшін өлшемдері әр түрлі металдар массаларында температураларды өлшеу жүргізілді. Тәжірибелер сурьма, алюминий және оның қорытпалары, болат

және шойынмен өткізілді. Барлық жағдайда да бір сурет алынды. Диаметрі 10 мм тигельде аз көміртекті болатты салыстырмалы үлкен жылдамдықта суыту кезінде аса суытудың үлкен мәндері алынды. Тигель диаметрін 20 мм-ге дейін ұлғайтып, суытуды баяулатқан кезде аса суыту азая бастайды.

Тигель диаметрін әрі қарай 70 мм-ге дейін ұлғайтқан сайын және суытуды одан аса баяулатқанда орталықта орналасқан термопара бастапқы учаскелерде аса суытуды тіркемейді. Орталығында аса суыту байқалмауы үшін қажетті тигель диаметрі алюминий үшін 100 мм, сурьма үшін 200 мм-ге тең, яғни, түрлі материалдардың аса суытуға бейімділігі әр түрлі.

Орташа өлшемді тигельдің орталықтан әр түрлі қашықтықта орналасқан түрлі нүктелерінде температураларды бір уақытта өлшеу нәтижесінде осы нүктелердегі аса суытудың мәндері бір-біріне өте жақын екендігі анықталды. Бет жақта орналасқан термопаралардың көрсетуі бойынша аса суытудың мәндері орталықтағымен салыстырғанда шамалы ғана артық. Яғни, жылдам суыту кезінде аса суыту металдың барлық көлемін қамтиды. Аса суыту шамасына қорытпа табиғаты мен суыту жылдамдығы ғана емес, сонымен қатар металдың тазалық дәрежесі де үлкен әсер етеді. Таза металдармен вакуумда тәжірибелер өткізген кезде аса суытудың шамалары ең үлкен болып шығады. Жалпы жағдайда, металдың аса көп емес санын алған кезде, аса суытылған қалыптағы көлемдік кристаллдану мен құйманың тізбекті кристалдануы бірыңғай процестің екі фазасы болып табылады (1. 2- сурет)

Безымянный.png

1. 2-сурет. а-температуралық алаң, б-кристалдану схемасы

Құйма кристалдануының көлемдік және реттік кезеңдері:

1 моментінде металл температурасы барлық нүктелерде Т0 кристалдану температурасынан жоғары жатады және құймада қатты фаза болмайды. 2 моментінде металл аса суытылып, оның температурасы барлық нүктелерде Т0 мәнінен төмен жатады; қатты фаза болмайды. 3 моментінде минимумнан өткен температура өседі де, металдың барлық көлемін біркелкі толтыратын көлемдік кристалдану басталады. 4 моментінде құйманың ортаңғы бөлігіндегі температура кристалдану температурасына жетеді, ал беттік қатты қабатта одан төмен түседі де, нақты асқыну туғызады. Ішкі бөлікте аса суытылған металдың көлемдік кристалдануының нәтижесінде туындаған сұйық фаза мен кристалдар орналасады. 5 моментінде сыртқы қабықтағы температура төмендеткен кезде тізбекті кристалдану жалғасатынын көруге болады. Ал 6 моментте барлық құйма қатаяды да, оның барлық нүктелеріндегі температура кристалдану температурасынан төмен түседі.

Металдың алғашқы кристалдану құрылымының негізгі бірлігі болып

түйіршік табылады, ол атомдық-кристалдық тордың бірыңғай бағдарлану жүйесімен және оны көрші түйіршіктерден айыратын нақты шекаралармен

сипатталады. Қарапайым жағдайларда мұндай түйіршіктің ішкі құрылымы

болмайды және шекаралары дөңгелектенген болып келеді. Бірақ көп жағдайда түйіршікті қышқылмен өңдеген кезде бір-бірімен бұрыш жасап орналасқан осьтер жүйелері анықталады. Мұндай түйіршік дендрит деп аталады. Осы түйіршіктен бірінші ретті басты осьтерді, олармен қиылысатын екінші ретті осьтерді және үшінші ретті осьтерді айыруға болады.

Одан жоғары ретті осьтер анықталмайды. Дендриттер арасындағы шекаралар дөңгелектенген түйіршіктер арасындағы шекараларға қарағанда анық көрінбейді, олар екінші ретті дендриттер осьтерінің арасындағы іліністер болып көрінеді.

Суытудың түрлі жылдамдықтары кезінде тұздар мен басқ мөлдір сұйықтықтарда түзілетін кристалдық формалардың өсуін микроскоп және киносъемка арқылы бақылау схема түрінде көрсетілген көріністі алуға мүмкіндік береді.

Суыту жылдамдығы өскен сайын кристалдардың өсу пішіндері күрделене түседі. Шамалы жылдамдықтар үшін глобулярлы немесе дөңгелектенген формалар сәйкес келеді; жылдамдық өскен сайын кристал-дар формалары дұрыс емес және олардың өсу процесі тұрақсыз болады. Жылдамдықты әрі қарай өсіргенде суыту пайда болады және дендриттік формалар нақтылана түседі: осьтер жіңішкеленеді, ал олардың арасындағы қашықтықтар азаяды. Ал суытудың ең үлкен жылдамдықтарында екінші және үшінші ретті осьтер түзелуін тоқтатады да, ине тәрізді пішіндер пайда болады.

Жеке дендриттердің өсу ретін бақылау нәтижесінде олардың осьтері үлкен жылдамдықпен өсетінін көруге болады. Бірінші ретті осьтердің өсу жылдамдығы екіншілердікінен, ал екінші ретті осьтердің өсу жылдамдығы үшіншілердікінен артық.

Болаттағы екінші ретті дендриттердің осьтері арасындағы қашықтық пен түйіршік өлшемдерінің кең шектерде өзгеретін қатаю жылдамдығына тәуелділігі көрсетілген. Қатты ерітінді типті қорытпаларда кристалдану кезінде құйма бетінен нақты қашықтықта орналасқан кеңістік арқылы температуралар мен қалыптардың нақты интервалы өтеді. Бұл интервалға бір емес, кристалдану жылдамдықтарының барлық спектрі сәйкес келеді.

Жуықтап келе, кристалдану жылдамдығын ликвидус пен солидус аралығында ортасында жат-қан температураның орын ауыстыру жылдамдығына жатқызуға болады.

Эвтектикалық немесе перитектикалық түрленуі бар қорытпалар кристалдануы кезінде екі түрлі жылдамдықты бөлуге болады: алғашқы кристалдарды бөлу және эвтектика мен перитектика түзілу жылдамдықта-ры.

... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.