Криві охолодження металевих сплавів
Криві охолодження металевих сплавів
Чисті метали використовують в електро- і радіотехніці і майже не застосовують у виробництві споживчих товарів, основними матеріалами для яких є металеві сплави. Застосування металевих сплавів для виробництва господарських товарів обумовлено можливістю в широких межах змінювати їх властивості. Сплави класифікують наступним чином:
хімічні сполуки: обидва компонента втрачають свою кристалічну решітку, і у сплаву утворюється нова решітка;
тверді розчини: один з компонентів зберігає кристалічну решітку, а інші її втрачають;
з домішки (механічні): обидва компоненти зберігають кристалічну решітку і властивості.
Сплави мають більш складну структуру, ніж прості метали. У зв'язку з цим процеси кристалізації сплавів протікають значно складніше, ніж у металів. На рис. 9 наводиться крива охолодження сплаву з необмеженою розчинністю компонентів в твердому і рідкому станах. Системи такого типу зазвичай утворюються близькими за своєю природою компонентами: мають подібну кристалічну структуру, приблизно однакові атомні радіуси, заряди і валентність.
При охолодженні цього розплаву до температури T1 починається кристалізація твердого розчину. На кривій охолодження відзначається перегин (критична точка), пов'язаний зі зменшенням швидкості охолодження внаслідок виділення прихованої теплоти кристалізації Q. На ділянці T1 - Т2 йде процес кристалізації, що протікає при знижується температурі: сплав складається з рідкого розчину і твердих кристалів. Концентрації компонентів в обох фазах змінюються, тому на кривих охолодження відсутні зупинки. При досягненні температури відповідної точці Т2. кристалізації закінчується і сплав твердне. При подальшому зниженні температури охолоджується сплав в твердому стані, що складається з однорідних кристалів твердого розчину. Крива має дві критичні точки.
Д Вказати тип кривих охолодження спостерігається при кристалізація сплаву компонентів А і В, нерозчинних одна в одній в твердому стані, але необмежено розчинних в рідкому стані (рис. 10). При температурі Т1 відбувається утворення кристалів компонента А, який є надлишковим. При цьому процес охолодження сповільнюється. При температурі Т2 концентрація компонента В настільки збільшується, що розплав знаходиться в рівновазі одночасно з кристалами компонентів А і В. Розплав такого складу твердне цілком без зміни складу при незмінній температурі, подібно чистому компоненту. Нижче Т2 рідина повністю зникає і існує лише суміш з двох твердих фаз А і В. Під мікроскопом в повністю затверділому сплаві можна побачити відносно великі кристали А. які виділилися з розплаву під час його охолодження від Т1 до Т2. Вони знаходяться в масі, що представляє собою тісний суміш дрібних кристаликів А і В. яка утворилася при остаточному твердінні розплаву при Т2. Така суміш називається евтектикой. Вона не є фазою, а є механічна суміш двох фаз. Температура кристалізації Т2 сплаву даної пари компонентів є фізичною константою.
Таким чином, будь-який фазове перетворення супроводжується тепловим ефектом, в результаті чого швидкість охолодження змінюється і на кривих "температура-час" з'являються злами або горизонтальні ділянки. Очевидно, вигляд кривої охолодження дозволяє судити про внутрішню структуру сплавів, про освіту з'єднань між компонентами і їх складі, про освіту змішаних кристалів і інші особливості внутрішньої будови сплавів. Поведінка системи в області ФП1 виявляється чутливим до невеликих зовнішніх впливів: домішкам, слабким полях і т. Д.
На чутливості кривої охолодження до складу системи засновані спеціальні калібратори термометрів для високих температур. Так як температура застигання чистого речовини, наприклад, олова, стабільна, досить розплавити і чекати, поки розплав не почнеться кристалізуватися. У цей час, за умови гарної теплоізоляції, температура застигаючого злитка не змінюється і в точності збігається з еталонної температурою, зазначеної в довідниках.
П ри підвищенні температури твердого тіла амплітуда теплових коливань атомів збільшується, а значить, зростає рухливість окремих атомів і груп атомів. Підвищена рухливість атомів означає підвищену ймовірність того, що атом "вистрибне" зі свого вузла решітки. В результаті починають спонтанно виникати різні дефекти кристалічної решітки (рис. 11). Ці дефекти можуть бути точковими (вакансії і міжвузольні атоми), що виникли через вистрибування одного атома, а можуть бути і протяжні (дислокації), викликані сильним зміщенням групи атомів. Це так звана стадія передплавлення.
При певній температурі рівній температурі плавлення Тпл. коли теплова енергія стає більше енергії міжатомної взаємодії, тверда кристалічна решітка руйнується і речовина переходить в менш впорядковане рідкий стан. Атоми твердого тіла "зриваються" зі своїх місць і починають вільно гуляти по кристалу, концентрація дефектів досягає критичного значення - матеріал втрачає міцність, кристал розпадається на безліч дрібних острівців, які починають "плавати. При подальшому підводі тепла ці острівці розвалюються на окремі атоми - так виходить рідка фаза (рис. 12).
Підводиться при плавленні теплота йде не на нагрів тіла, а на розрив міжатомних зв'язків і руйнування далекого порядку в кристалах. У рідинах пpавильное pасположение атомів спостерігається лише в малих областях. У міру збільшення pассматpиваться області в рідини Правильно, пеpиодическое pасположение атомів теpяется і на великих її ділянках повністю зникає. Прийняття говоpить, що в твеpдое тілах має місце "дальній поpядок" в pасположенного атомів, в рідинах - "ближній поpядок" (рис. 13). Рідина як би розбивається на дрібні осередки, в межа якому і спостерігається кpісталліческое, пpавильное стpоеніе. Чітких гpаниц між осередками не існує, гpаницей pазмити. Таке стpоеніе рідин називається квазікpісталліческім.
Таким чином, плавлення означає руйнування кристалічної решітки: регулярне просторове розташування атомів змінюється нерегулярним. Після того, як тверда маса повністю перетворилася в рідину, подальше надходження тепла спричинить знову за собою підвищення температури речовини. У рідкому стані молекули речовини як і раніше знаходяться в близькому контакті, але жорсткі міжмолекулярні зв'язки між ними розірвано, і сили взаємодії, які утримують молекули разом, на кілька порядків слабкіше, ніж в твердому тілі, тому молекули починають досить вільно переміщатися одна відносно одної.
П
лавленіе супроводжується зміною фізичних властивостей речовини: збільшенням ентропії, що відображає розупорядкування кристалічної структури речовини; зростанням теплоємності, електричного опору. Практично до нуля падає опір зрушенню (в розплаві не можуть поширюватися поперечні пружні хвилі), зменшується швидкість поширення звуку (подовжніх хвиль) і т.д. Домішки, присутні в кристалічних речовинах, знижують їх Тпл. За цією ознакою їх легко відрізнити від аморфних твердих тіл, які не мають фіксованої Тпл.
Таким чином, головними характеристиками ФП1 є певна температура ФП1 і теплота, яка необхідна для здійснення процесу - прихована теплота фазового переходу Q. Наявність певної температури плавлення (кристалізації) - важлива ознака правильного кристалічної будови твердих тіл. За цією ознакою їх легко відрізнити від аморфних твердих тіл, які не мають фіксованої Тпл. Температура затвердіння збігається з температурою плавлення тільки для чистого речовини в умовах повільного охолодження (нагрівання). Рівні також теплоти плавлення і кристалізації.
Теплоємність твердих тіл
Теплоємність С є важливою фізичної характеристикою тел. Її значення пов'язаний із структурою тіла, з характером взаємодії його частинок, з їх нормальними коливаннями. В рамках класичної теорії моделлю твердого тіла є кристалічна решітка, у вузлах якої іони коливаються в трьох взаємно перпендикулярних напрямках. Закон про рівномірний розподіл енергії за ступенями свободи призводить до закону Дюлонга і Пті, згідно з яким молярна теплоємність не залежить від температури і дорівнює СV = 3R. Досвід показав неспроможність класичних уявлень (рис. 14, рис. 15): теплоємність твердих тіл зменшується з пониженням температури і прагне до нуля при наближенні температури до абсолютного нуля. Більш точний опис теплових властивостей кристала дає квантова теорія, розроблена Ейнштейном і Дебаєм. В її основі лежить припущення про квантуванні теплової енергії коливних атомів. Квант енергії (порція) теплових коливань осцилятора дорівнює hν. сам же квант прийнято називати фонони. Однак обчислення теплоємності Сv (Т) в рамках квантової теорії досить складні і реалізовані тільки для порівняно простих молекул.
Т
емпературную кордон, нижче якої починають позначатися квантові ефекти, визначає температура Дебая QD. фізична константа речовини, що характеризує багато властивостей твердих тіл - теплоємність, електропровідність, теплопровідність, розширення ліній рентгенівських спектрів, пружні властивості і т. п. Відповідно до теорії Дебая, температура, при якій починається зменшення теплоємності, можна визначити з умови рівності середньої енергії коливального руху, що припадає на одну ступінь свободи kТ. енергії одного фотона hv
де k - постійна Больцмана, h - постійна Планка. Максимальній температурі - температурі Дебая QD буде відповідати максимальна частота коливань vD (частота Дебая)
Для одновимірного кристала температура Дебая обчислюється таким чином. Оскільки коливання іонів в кристалічній решітці поширюються зі швидкістю звуку υ. то частота коливань дорівнює
де λ - довжина хвилі, що збуджується тепловими коливаннями в кристалі. У загальному випадку в кристалі можуть виникати як поздовжні, так і поперечні коливання. Виниклі хвилі, досягнувши поверхні кристала, відбиваються від неї, в кристалі виникає складна система стоячих хвиль, причому величина кожної довжини хвилі залежить від розмірів кристала і його пружних властивостей. Інтервал частот теплових хвиль дуже широкий: від 100 Гц до 10 13 Гц. Довжина хвилі λ обмежена знизу значенням λ = 4d. де d - відстань між сусідніми атомами в решітці. Хвилі меншої довжини хвилі не мають сенсу. На рис. 16. зображена стояча хвиля, яка охоплює 4 міжатомних відстані.
Швидкість поширення теплових хвиль υ збігається зі швидкістю звуку в кристалі, а енергія коливань розподіляється між усіма видами хвиль. Швидкість звуку υ в твердому тілі визначається співвідношенням
г де υпрод = √ Е / ρ - швидкість поширення поздовжніх хвиль, Е - модуль пружності (стиснення), ρ - щільність; υпп = √ (μ / ρ) - швидкість поширення поперечних хвиль. μ - модуль зсуву. Для олова υпрод = 3320 м / с, υпп = 1700 м / с. Для одновимірного кристала vD = vзв / 4d. а для тривимірних кристалів коливання іонів можна розкласти на 3 складові. тоді
пропорційна кубу температури (закон Дебая). Таким чином, при Т> QD справедливий закон Дюлонга і Пті, QD> T> QD / 50 теплоємність залежить від температури, однак кількісний характер цієї залежності поки не встановлено, при Т
Схожі документи:
Методіческіеуказанія до виконання лабораторнойработи № 2 - 12 покурсу «Общаяфізіка» по темі «Електрика і магнетизм» для студентів усіх напрямів і спеціальностей. Укладач.
Методіческіеуказанія до виконання лабораторнойработи № 2 - 05 покурсу «Общаяфізіка» по темі «Електрика і магнетизм» для студентів усіх напрямів і спеціальностей. Укладачі.
ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ МЕТОДІЧЕСКІЕУКАЗАНІЯ до виконання лабораторнихработпокурсу "Алгоритмічні. і технологіях, частина 3. Укладачі. к.т.н. доцент Горохів М.М. математика, фізика. хімія, історія. загальний дохід співробітників по підприємству.