Плавление и кристаллизация металлов

При нагреве или охлаждении металла переход из одного состояния в другое происходит с возникновением или разрушением кристаллической решётки и сопровождается тепловым эффектом. Вследствие этого металлы переходят из одного состояния в другое при постоянных температурах, и на кривых охлаждения или нагрева наблюдаются температурные остановки (см. рис.1).

Тпл – температура плавления металла;

1.1
Ткр – температура кристаллизации металла.

Участки 1-2 и 4-5 – переход металла из одного состояния в другое.

В т.1 происходит разрушение кристаллической решётки. На участке 1-2 вся тепловая энергия идёт на её разрушение. Металл переходит из твёрдого состояния в жидкое – процесс плавления. При этом увеличивается объём металла на 2…6% за счёт увеличения расстояния между атомами, силы взаимодействия при этом между атомами гораздо меньше, чем в твёрдом металле.

 

Рисунок 1

 

Для жидкости характерен ближний порядок, когда упорядоченное расположение атомов распространяется на небольшое расстояние. Этот порядок неустойчив. При температурах, близких к температуре плавления, в жидком металле наблюдаются области, в которых расположение атомов, близко к расположению атомов в твёрдом кристаллическом теле. Эти области называются фазовыми флуктуациями. Наиболее крупные флуктуации при определённых условиях могут стать зародышами кристаллов (центрами кристаллизации). Чтобы начался процесс кристаллизации необходимо переохладить металл ниже температуры плавления.

∆Т= Тпл кр – тепловой гистерезис (несовпадение температуры плавления и температуры кристаллизации). Величина переохлаждения определяется природой металла, наличием примесей в металле, скоростью охлаждения (рис. 2). Если примесей мало, то металл надо значительно охладить.

Рисунок 2

 

Переход металла из жидкого состояния в твёрдое (процесс кристаллизации) связан с возникновением кристаллической решётки. Этот процесс происходит при постоянной температуре, что обусловлено выделением скрытой теплоты кристаллизации (участок 4-5 на рис. 1).

1.5.1 Энергетические условия процесса кристаллизации

 

В природе все процессы идут в сторону уменьшения энергии системы. Состояние системы определяется особой функцией – свободной энергией.

F = U – TS,где

 

F – свободная энергия системы;

U – внутренняя энергия системы;

Т – температура;

S – энтропия.

 

С увеличением температуры свободная энергия жидкого Fж и твёрдого Fтв тела уменьшается (рис. 3).

Рисунок 3

 

При Т0 Fтв = Fж – энергетически равноценны твёрдое и жидкое состояние вещества. Поэтому процессы плавления и кристаллизации происходить не будут (динамическое равновесие).

При Т1 Fтв1 < Fж1 – энергетически выгодно твердое состояние.

При Т2 Fж2 < Fтв2 – энергетически выгодно жидкое состояние.

Для начала кристаллизации вещество необходимо охладить ниже Т0, а для плавления нагреть выше Т0.

∆ Тпереохлажд.01 – степень переохлаждения,

∆ Тперегрева.20 – степень перегрева.








Дата добавления: 2015-09-11; просмотров: 4098;


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам перенёс пользу информационный материал, или помог в учебе – поделитесь этим сайтом с друзьями и знакомыми.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2024 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.004 сек.