Материаловедение Кристализация

Содержание: 
 

1.    Сущность процесса кристаллизации……….…..…......стр.3
1. Механизм кристаллизации металлов……....……стр.5
2. Критический зародыш; гомогенное и гетерогенное

                  зарождение кристаллов; рост кристаллов.

                   Кривые Таммана………………..………………….стр.7

3. Процесс роста кристаллов…...……………………стр.8
2. Аморфная структура материалов..….……….…..…….стр.9
3.     Задача № 1…………………………..……………..…….стр.11
4.     Задача № 2…………………..……………..………....….стр.12
5.     Список литературы…………………………………….стр.13

1. Сущность процесса кристаллизации 

Любое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном. Возможен переход из одного состояния  в другое, если новое состояние  в новых условиях является более  устойчивым, обладает меньшим запасом  энергии.

С изменением внешних  условий свободная энергия изменяется по сложному закону различно для жидкого  и кристаллического состояний. Характер изменения свободной энергии  жидкого и твердого состояний  с изменением температуры показан  на рисунке 1. 

Рисунок 1 –Изменение свободной энергии в зависимости от температуры 

В соответствии с этой схемой выше температуры ТS вещество должно находиться в жидком состоянии, а ниже ТS – в твердом.

При температуре  равной ТS жидкая и твердая фаза обладают одинаковой энергией, металл в обоих состояниях находится в равновесии, поэтому две фазы могут существовать одновременно бесконечно долго. Температура ТS – равновесная или теоретическая температура кристаллизации.

Для начала процесса кристаллизации необходимо, чтобы процесс был термодинамический выгоден системе и сопровождался уменьшением свободной энергии системы. Это возможно при охлаждении жидкости ниже температуры ТS. Температура, при которой практически начинается кристаллизация, называется фактической температурой кристаллизации.

Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации называется переохлаждением, которое  характеризуется степенью переохлаждения (ΔТ): 

ΔТ = Ттеор-Ткр.

Степень переохлаждения зависит от природы металла, от степени  его загрязненности (чем чище металл, тем больше степень переохлаждения), от скорости охлаждения (чем выше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждения).

При нагреве  всех кристаллических тел наблюдается  четкая граница перехода из твердого состояния в жидкое. Такая же граница существует при переходе из жидкого состояния в твердое.

Кристаллизация  – это процесс образования  участков кристаллической решетки  в жидкой фазе и рост кристаллов из образовавшихся центров.

Процесс перехода металла из жидкого состояния  в кристаллическое можно изобразить кривыми в координатах время – температура. Кривая охлаждения чистого металла представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Кривая охлаждения чистого металла

Ттеор – теоретическая  температура кристаллизации;

Ткр – фактическая  температура кристаллизации.

Процесс кристаллизации чистого металла:

До точки 1 охлаждается  металл в жидком состоянии, процесс  сопровождается плавным понижением температуры. На участке 1 – 2 идет процесс  кристаллизации, сопровождающийся выделением тепла, которое называется скрытой теплотой кристаллизации. Оно компенсирует рассеивание теплоты в пространство, и поэтому температура остается постоянной. После окончания кристаллизации в точке 2 температура снова начинает снижаться, металл охлаждается в твердом состоянии. 

1.1. Механизм кристаллизации металлов.

При соответствующем  понижении температуры в жидком металле начинают образовываться кристаллики  – центры кристаллизации или зародыши. Для начала их роста необходимо уменьшение свободной энергии металла, в  противном случае зародыш растворяется. 

Механизм кристаллизации представлен на рисунке 3. 

Рисунок 3 –Модель  процесса кристаллизации 

Центры кристаллизации образуются в исходной фазе независимо друг от друга в случайных местах. Сначала кристаллы имеют правильную форму, но по мере столкновения и срастания с другими кристаллами форма нарушается. Рост продолжается в направлениях, где есть свободный доступ питающей среды. После окончания кристаллизации имеем поликристаллическое тело.

Таким образом, процесс кристаллизации состоит из образования центров кристаллизации и роста кристаллов из этих центров.

В свою очередь, число центров кристаллизации (ч.ц.) и скорость роста кристаллов (с.р.) зависят от степени переохлаждения (рисунок 4).

Рисунок 4 – Зависимость  числа центров кристаллизации (а) и скорости роста кристаллов (б) от степени переохлаждения

Размеры образовавшихся кристаллов зависят от соотношения  числа образовавшихся центров кристаллизации и скорости роста кристаллов при  температуре кристаллизации.

При равновесной  температуре кристаллизации ТS число образовавшихся центров кристаллизации и скорость их роста равняются нулю, поэтому процесса кристаллизации не происходит.

Если жидкость переохладить до температуры, соответствующей  т. а, то образуются крупные зерна (число образовавшихся центров небольшое, а скорость роста – большая).

При переохлаждении до температуры соответствующей  т. в – мелкое зерно (образуется большое  число центров кристаллизации, а  скорость их роста небольшая).

Если металл очень сильно переохладить, то число центров и скорость роста кристаллов равны нулю, жидкость не кристаллизуется, образуется аморфное тело. Для металлов, обладающих малой склонностью к переохлаждению, экспериментально обнаруживаются только восходящие ветви кривых.

1.2. Критический зародыш; гомогенное и гетерогенное зарождение кристаллов; рост кристаллов. Кривые Таммана.

Кристаллизация  – это процесс перехода металла  из жидкого состояния в твердое  с образованием кристаллической  структуры. В природе все самопроизвольно  протекающие превращения, кристаллизация и плавление обусловлены тем, что новое состояние в новых условиях является энергетически более устойчивым, обладает меньшим запасом энергии.

Переход металла  из жидкого или парообразного  состояния в твердое с образованием кристаллической структуры называется первичной кристаллизацией. Образование новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе называется вторичной кристаллизацией. Процесс кристаллизации состоит из двух одновременно идущих процессов зарождения и роста кристаллов. Кристаллы могут зарождаться самопроизвольно – самопроизвольная кристаллизация или расти на имеющихся готовых центрах кристаллизации – несамопроизвольная кристаллизация.

Проследить процесс  кристаллизации металла можно с  помощью счетчика времени и термоэлектрического пирометра. Две разнородные проволоки, которые спаянны концами, погружают в расплавленный металл и при этом возникающий термоток пропорционален температуре металла, а стрелка милливольтметра отклоняется, она указывает температуру по специально градуированной шкале. Показания пирометра записывают во времени и по полученным данным строят кривые охлаждения в координатах температура – время. Критической точкой называется температура, которая соответствует какому-либо превращению в металле.

При охлаждении переход из жидкого состояния в твердое сопровождается образованием кристаллической решетки, т. е. кристаллизацией. Для того чтобы вызвать кристаллизацию, жидкий металл нужно переохладить до температуры ниже температуры плавления. При затвердевании и при аллотропическом превращении в металле вначале образуются центры кристаллизации, вокруг которых группируются атомы, образуя соответствующую кристаллическую решетку. Процесс кристаллизации складывается из двух этапов: образования центров кристаллизации и роста кристаллов. У каждого из возникающих кристаллов кристаллографические плоскости ориентированы случайно, кроме того, при первичной кристаллизации кристаллы могут поворачиваться, так как они окружены жидкостью. Смежные кристаллы растут навстречу друг другу, и точки их столкновения определяют границы кристаллитов (зерен).

У аморфных веществ  кривые охлаждения плавные, без площадок и уступов: понятно, что аллотропии у этих веществ быть не может. Механизм кристаллизации металла состоит  в том, что при соответствующем понижении температуры внутри тигля с жидким металлом начинают образовываться мелкие кристаллики, называемые центрами кристаллизации или зародышами.

Для начала роста  кристаллов из жидкого металла необходимо, чтобы свободная энергия металла уменьшилась. Если же в результате образования зародыша свободная энергия металла увеличивается, то зародыш растворяется. Минимальный размер способного к росту зародыша называется критическим размером зародыша, а такой зародыш – устойчивым. Чем больше степень переохлаждения, понижающая свободную энергию металла, тем меньше критический размер зародыша. Вокруг образовавшихся центров начинают расти кристаллы. По мере роста кристаллов в металле, оставшемся еще в жидком состоянии, продолжают возникать новые центры кристаллизации. Каждый из растущих новых кристаллов ориентирован в пространстве произвольно.

Кристаллы с  неправильной формой называются зернами  или кристаллами. Твердые тела, в  том числе и металлы, состоящие  из большого количества зерен, называют поликристаллическими.

1.3. Процесс роста  кристаллов.

Д.В. Черновым установлено, что процесс кристаллизации состоит  из двух элементарных процессов: зарождения центров кристаллизации и роста  кристаллов из этих центров. Гораздо  позже Тамман, изучая процесс кристаллизации, установил зависимость числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов от степени переохлаждения.

Пока образовавшиеся кристаллы растут свободно, они имеют  более или менее правильную геометрическую форму. Однако при столкновении растущих кристаллов их правильная форма нарушается, так как в этих участках рост граней прекращается. Рост продолжается в тех направлениях, где есть свободный доступ «питающей» жидкости. В результате растущие кристаллы, имеющие сначала геометрически правильную форму, после затвердевания получают неправильную внешнюю форму и поэтому называются кристаллитами или зернами. Рост зародышей происходит в результате перехода атомов из переохлажденной жидкости к кристаллам. Кристалл растет послойно, каждый слой имеет одноатомную толщину. Различают два элементарных процесса роста кристаллов.

Образование двумерного зародыша.

Рост двумерного зародыша путем поступления атомов из переохлажденной жидкости. После  образования на плоской грани  двумерного зародыша дальнейший рост нового слоя протекает сравнительно легко, так как появляются участки, удобные для закрепления атомов, переходящих из жидкости. Размер зерен, образующихся в процессе кристаллизации, зависит не только от числа самопроизвольно зарождающихся центров кристаллизации, но и от числа частичек нерастворимых примесей, всегда имеющихся в жидком металле, которые играют роль готовых центров кристаллизации.

2. Аморфная структура материалов

Аморфная структура  является одним из физических состояний  твердых тел, Аморфные вещества характеризуются двумя особенностями. Во-первых, свойства таких веществ при обычных условиях не зависят от выбранного направления, т.е. они - изотропны. Во-вторых, при повышении температуры происходит размягчение аморфного вещества и постепенный переход его в жидкое состояние. Точное значение температуры плавления отсутствует.

Общим  для  кристаллического и аморфного состояний  веществ является отсутствие поступательного  перемещения частиц и сохранение только их колебательного движения около  положения равновесия. Различие между ними состоит в наличии геометрически правильной решетки у кристаллов и отсутствии дальнего порядка в расположении атомов у аморфных веществ.

Аморфное состояние  вещества, по сравнению с кристаллическим, всегда менее устойчиво и обладает избыточным запасом внутренней энергии. В связи с этим, при определенных условиях, самопроизвольно осуществляется переход из аморфного состояние в кристаллическое.

Твердые тела в  аморфном состоянии можно получить двумя путями. Первый путь – быстрое  охлаждение расплавов кристаллических веществ, преимущественно ионного и ковалентного строения. Типичный представитель таких аморфных тел – силикатные стекла, битумы, смолы и пр.  
 

Второй путь – диспергация кристаллических  структур. В результате диспергации  кристаллических тел образуются аморфизованные дисперсии в виде коллоидов и растворов. Разрушаясь или конденсируясь, дисперсии изменяют свое агрегатное состояние. Пересыщенные растворы, например, могут превратиться в гель и образовать полимер или кристаллизоваться.

Аморфные вещества подразделяют на витроиды (стекла), дисперсные системы и полимеры.

Витроиды –  это твердые тела в аморфном состоянии, имеющие стекловидную структуру. Как  уже отмечалось, стекла образуются в результате быстрого охлаждения, преимущественно силикатных расплавов. Быстрое охлаждение препятствует созданию упорядоченной структуры. Особенно, если молекулы громоздки, а скорость охлаждения велика.

Дисперсные системы  – мельчайшие частицы размером 10-7-10-9 м. к ним относятся коллоиды, золи (органозоли, гидрозоли), пасты, клеи мастики краски, латексы и пр. К дисперсным аморфным системам относятся также некоторые горные породы (диатомит, опоки), имеющие общую формулу SiO2.nH2O; а также активный кремнезем, который образуется в результате разложения глин при их нагревании.

Полимеры –  вещества, характерной особенностью которых является большой размер и большая молекулярная масса  молекул. Кроме того, молекулы объединены в структурные единицы, включающих 103-105 молекул-мономеров.                                                  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Задача № 1 

Установить  коэффициент выхода бетонной смеси  и рассчитать расход материалов на один замес бетоносмесителя объемом 1200 л. Состав бетона выражается формулой Ц : П : Щ = 1 : 2 : 3 при В/Ц=0,4. Расход цемента на 1 м3 бетона составляет 360 кг. Уточнить расход материалов на один замес бетоносмесителя с учетом влажности заполнителей: песка-8%, щебня-3%. Насыпная плотность цемента 1290 кг/м3, песка 1510 кг/м3 и щебня 1400 кг/м3.    

Результаты  расчета:    

1.        Состав бетона выражается  формулой Ц : П : Щ = 1 : 2 : 3 при В/Ц=0,4. Ц=360 кг., тогда

 Ц : П : Щ = 1 : 2 : 3 = 360 : 720 : 1080

2. Уточним расход материалов с учетом влажности:

Пу= П + (П*Wп)/100

Пу= 720+(720*8)/100=777,6 кг.

Щу=Щ + (Щ*Wщ)/100=1112,4 кг.

3. Расчет коэффициента выхода бетонной смеси:

ß=              1____________    

(Ц/Рнц)+(Щ/Рнщ)+(П/Рнп)            подставляем числовые значения получаем:

ß=1/(0,279+0,795+0,515)=0,629

4. Рассчитываем  расход материалов на один замес бетоносмесителя

Vб= ß* Vбс

Vб=0,629*1200=754,8 дм3

Ответ: ß=0,629; Vб=754,8 дм3. 
 
 

4.   Задача № 2 

Образец породы неправильной формы на воздухе имел массу 138 гр. (в сухом состоянии). После  покрытия поверхности образца парафином  его масса на воздухе составила 140 гр., а в воде 66 гр. Вычислить плотность породы, если плотность парафина 0,9 г/см3, а плотность воды 1 г/см3.

Результаты  расчета:    

1. При определении плотности образцов неправильной геометрической формы применяют формулу:

Ƥср. = _______m_________ , где

      V1 – (m1-m)/ƥṇ 

Ƥср - средняя плотность породы,

m – масса образца, не покрытого парафином,

V1 – объем воды, вытесненной образцом, покрытым парафином,

m1 – масса образца, покрытого парафином,

ƥṇ - средняя плотность парафина.

2. Найдем объем воды:

V1=140-66=74см3

3. Подставив числовые значения в формулу, получаем:

Ƥср. = 138/ 74-((140-138)/0,9)=138/71,78=1,92 г/см3.

Ответ: Ƥср=1,92 г/см3

      5. Список литературы 

1. Строительные  материалы  (Материаловедение.  Технология конструкционных материалов):  Учебник / В.Г. Микульский, Г.П.Сахаров и др. Под общ. Ред. В.Г. Микульского.– М.: АСВ.– 2007.
2. Киреева Ю.И. Строительные материалы: Учебное  пособие /

         Ю.И.     Киреева  – Минск:  Новое знание – 2006.

3. Рыбьев И.А. Строительное материаловедение: Учебник /

        Рыбьев И.А. – М.: Высшая школа, 2002

4. Белов В.В. Краткий курс материаловедения и  технологии конструкционных материалов для строительства: Уч. Пособие/ В.В.Белов, В.Б.Петропавловская.– М.: АСВ –2006.
5. Попов К.Н. Оценка качества строительных материалов: Учебное пособие /К.Н.Попов, М.Б.Каддо, О.В.Кульков.– М: Высш. шк. 2004.
6. Горчаков Г.И. Строительные материалы: Учебник / Г.И.Горчаков, Ю.М.Баженов.– М.:  Стройиздат. 1986.
7. Строительное материаловедение: Учебное  пособие /  под общ. редакцией В.А. Невского.– Ростов н/Д : Феникс – 2007.
8. Лабораторный практикум по строительным материалам: Уч. Пособие/ А.М. Гридчин, С.А. Погорелов-Белгород -2001