Termodynamiczne warunki krystalizacji

Transkrypt

1 KRYSTALIZACJA METALI ISTOPÓW Zakres tematyczny y 1 Termodynamiczne warunki krystalizacji hiq.linde-gas.fr Krystalizacja szczególny rodzaj krzepnięcia, w którym ciecz ulega przemianie w stan stały o budowie krystalicznej. Zagadnienia krzepnięcia metali i stopów stanowią istotę metalurgii. 2 1

2 Termodynamiczne warunki krystalizacji Równowaga faz w układzie jednoskładnikowym Zależność energii swobodnej faz stałejiciekłej od temperatury Zależność szybkości top-nienia i krystalizacji oraz szybkości przemieszczania się granicy rozdziału ł faz od temperaturyt Przechłodzenie Krzywe chłodzenia: teoretyczne (a) i rzeczywiste (b i c) Krystalizacja nierównowagowa 3 Tworzenie zarodków krystalizacji Zarodki krystalizacji w fazie ciekłej zespoły bliskiego uporządkowania o wielkości większej od krytycznej, do których przyłączają się kolejno następne atomy. Rozróżnia się dwa rodzaje zarodkowania: homogeniczne, heterogeniczne. 4 2

3 Zarodkowanie HOMOGENICZNE Zmiana energii swobodnej w zależności od promienia zarodka jednorodnego Zmiana energii swobodnej układu w czasie krystalizacji = A V F A powierzchnia rozdziału napięcie powierzchniowe na jednostkę powierzchni V objętość zarodka F różnica pomiędzy energią swobodną cieczy i kryształów na jednostkę objętości Schemat zmian promienia krytycznego zarodka podczas zarodkowania homogenicznego wzależności od przechłodzenia Zależność szybkości zarodkowania od przechłodzenia podczas zarodkowania homogenicznego i heterogenicznego 5 Zarodkowanie HETEROGENICZNE Schemat zarodkowania heterogenicznego krystalizacji oraz wpływ kształtu podłoża na jego objętość Zależność promienia krytycznego zarodka podczas zarodkowania heterogenicznego od przechłodzenia i kąta styku z podłożem 6 3

4 Mechanizmy wzrostu kryształów SCHODKOWY TARASOWY ŚRUBOWY 7 Kinetyka procesów krystalizacji O szybkości procesu krzepnięcia decydują: szybkość zarodkowania v z ilość zarodków krystalizacji tworzących się w ciągu jednostki czasu w jednostce objętości cieczy metalicznej, liniowa szybkość krystalizacji v k szybkość przesuwania się frontu krystalizacji, mierzona w jednostkach długości na jednostkę czasu. 8 4

5 Kinetyka procesu krystalizacji Zależność szybkości zarodkowania i liniowej szybkości krystalizacji od przechłodzenia cieczy metalicznej (wg Tammanna) Krystalizacja czystych metali Wpływ gradientu temperatury w cieczy na przebieg krzepnięcia (kształt granicy rozdziału faz) Wzrost dendrytyczny zarodków Schemat wzrostu dendrytycznego podczas krystalizacji metalu Uprzywilejowane kierunki wzrostu kryształów 9 Wzrost dendrytyczny zarodków - PRZYKŁADY Mikrostruktura Dendryty cynku dendrytyczna (wyodrębnione staliwa z fazystopowego ciekłej) 10 5

6 Wzrost dendrytyczny zarodków - PRZYKŁADY Struktura dendrytyczna płatka śniegu 11 Krystalizacja stopów metali o strukturze roztworu stałego WSPÓŁCZYNNIK PODZIAŁU k 0 c S c L Krystalizacja stopów metali o strukturze roztworu stałego PRZECHŁODZENIE STĘŻENIOWE Wpływ przechłodzenia stężeniowego na tworzenie powierzchni międzyfazowej 12 6

7 Krystalizacja stopów metali o strukturze mieszanin Rodzaje mieszanin (najczęściej eutektycznych) płytkowe, słupkowe, ziarniste, iglaste. Wpływ przechłodzenia stężeniowego na strukturę i przebieg krystalizacji mieszaniny podeutektycznej 13 Struktura wlewka 1 - Kryształy zamrożone 2 - Kryształy słupkowe 3 - Kryształy wolne Wlewek aluminiowy (wysokość -ok.5cm) 14 7

8 Literatura źródłowa: 1. Dobrzański L. A.: Metaloznawstwo z podstawami nauki o materiałach. WNT, Warszawa Przybyłowicz K.: Podstawy teoretyczne metaloznawstwa. WNT, Warszawa Rudnik S.: Metaloznawstwo. PWN, Warszawa Dobrzański L. A.: Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo. Materiały inżynierskie z podstawami projektowania materiałowego. WNT, Warszawa Fraś E.: Krystalizacja metali. WNT, Warszawa 2003 Literatura uzupełniająca: Blicharski M.: Przemiany fazowe. Wyd. AGH, Kraków 1990 Adamczyk J.: Metaloznawstwo teoretyczne, cz. II: Przemiany fazowe. Wyd. Pol. Śląska, Gliwice 1989 Kędzierski Z.: Przemiany fazowe w metalach i stopach, Wyd.AGH,Kraków1988 Prowans S.: Struktura stopów. PWN, Warszawa 2000 Przybyłowicz K.: Metaloznawstwo. WNT, Warszawa 1999 Ashby M. F., Jones R. H.: Materiały inżynierskie cz. I i II. WNT, Warszawa