Как происходит кристаллизация металлов


Процесс кристаллизации металлов — Студопедия

Кристаллизацией называется переход из жидкого в твердое состояние с образованием кристаллических решеток или кристаллов. В реальных металлических телах кристаллизация расплавов заканчивается образованием структуры сложно переплетенных кристаллов - дендритов. Их морфология определяет свойства материалов. При образовании кристаллов их развитие идет в основном в направлении, перпендикулярном плоскостям с максимальной плотностью упаковки атомов. Это приводит к тому, что первоначально образуются длинные ветви, так называемые оси первого порядка. Одновременно с удлинением осей первого порядка на их ребрах зарождаются и растут перпендикулярные к ним такие же ветви второго порядка. в свою очередь на них растут оси третьего порядка и т.д. Образуются кристаллы древовидной - дендритной формы. Преимущественный рост кристалла происходит в направлении отвода тепла. Ветви дендритов разделены очень тонкими прослойками нерастворимых в жидком и особенно в твердом состоянии примесей и мельчайшими полостями и порами, возникшими в результате уменьшения объема при переходе металла из жидкого состояния в твердое. При tпл, определенной для каждого металла, твердый металл переходит в жидкий. Многие свойства при этом меняются незначительно. Например, плотность падает на 5-7% , электропроводность и теплопроводность возрастают. Характер внутренних сил не изменяется. Металлическая жидкость по своему строению близка к твердому телу. Кристаллическая решетка сохраняется до температуры плавления. После расплавления решетка разрушается, но сохраняется динамический ближний порядок. Затвердевание происходит при температуре tзатв, она меньше tпл. Существует переохлаждение и перенагрев.


При температуре Тп величины свободных энергий жидкого и твердого состояния равны. Процесс кристаллизации протекает при температуре, меньшей Тп. Для начала затвердевания необходимо переохлаждение (разность энергий). Переохлаждение тем больше, чем больше скорость изменения.

Процесс кристаллизации происходит в два этапа: образование зародышей кристаллов; рост образовавшихся кристаллов.

В реальных металлах центрами кристаллизации являются тугоплавкие частицы и стенки литейной формы.

В чистых металлах центрами кристаллизации служат области с дальним порядком расположения атомов (кластеры), т.е. их строение близко к строению кристаллической решетки.


Чем больше скорость охлаждения (степень переохлаждения), тем более мелкозернистая структура образуется. Если скорость охлаждения порядка 105-106 градусов в секунду, получается аморфная структура.

5.Строение металлического слитка. Особенности строения литого и деформированного металла.

Кристаллизация стального слитка идет в три стадии. Сначала на поверхности слитка образуется зона мелких кристаллов за счет влияния холодных стенок формы, которые обеспечивают в начальный момент времени высокую скорость охлаждения. Затем растут большие кристаллы, вытянутые по направлению отвода теплоты (столбчатые кристаллы). В середине слитка, где наблюдается наименьшая степень переохлаждения, образуются большие равновесные кристаллы. При некоторых условиях (перегретый жидкий металл, малое содержание примесей) зона крупных равновесных кристаллов почти исчезает. Структура слитка состоит практически из одних столбчатых кристаллов - транскристаллическая.

Зона столбчатых кристаллов обладает наибольшей плотностью, но в местах стыка столбчатых кристаллов собираются нерастворимые примеси, и такие слитки часто расьтрескиваются при обработке давлением.

В верхней части слитка, затвердевающей в последнюю очередь, концентрируется усадочная раковина. Там содержится много количества усадочных пор. Слиток имеет неоднородный состав. По направлению от поверхности к центру и снизу вверх увеличивается концентрация углерода и вредных примесей: серы и фосфора. Химическая неоднородность по отдельным зонам слитка называется зональной ликвацией. Она отрицательно влияет на механические свойства.

Пластическая деформация металлов и сплавов как тел поликристаллических, имеет некоторые особенности по сравнению с пластической деформацией монокристалла. Деформация поликристаллического тела складывается из деформации отдельных зерен и деформации в приграничных объемах.

Плоскости скольжения зерен произвольно ориентированны в пространстве, поэтому под влиянием внешних сил напряжения в плоскостях скольжения отдельных зерен будут различны. Деформация начинается в отдельных зернах, в плоскостях скольжения которых возникают максимальные касательные напряжения. Соседние зерна будут разворачиваться и постепенно вовлекаться в процесс деформации. Деформация приводит к изменению формы зерен: зерна получают форму, вытянутую в направлении наиболее интенсивного течения металла (поворачиваются осями наибольшей прочности вдоль направления деформации.

Металл приобретает волокнистое строение. Волокна с вытянутыми вдоль них неметаллическими включениями являются причиной неодинаковости свойств вдоль и поперек волокон. Одновременно с изменением формы зерен в процессе пластической деформации происходит изменение ориентировки в пространстве их кристаллической решетки.

Деформированный металл находится в неравновесном состоянии. Переход к равновесному состоянию связан с уменьшением искажений в кристаллической решетке, снятием напряжений, что определяется возможностью перемещения атомов.

При повышении температуры металла в процессе нагрева после пластической деформации диффузия атомов увеличивается и начинают действовать процессы разупрочнения, приводящие металл в более равновесное состояние – возврат и рекристаллизация.

Возврат. Небольшой нагрев вызывает ускорение движения атомов, снижение плотности дислокаций, устранение внутренних напряжений и восстановление кристаллической решетки

Рекристаллизация – процесс зарождения и роста новых недеформированных зерен при нагреве наклепанного металла до определенной температуры.

Нагрев металла до температур рекристаллизации сопровождается резким изменением микроструктуры и свойств. Нагрев приводит к резкому снижению прочности при одновременном возрастании пластичности. Также снижается электросопротивление и повышается теплопроводность.

1 стадия – первичная рекристаллизация (обработки) заключается в образовании центров кристаллизации и росте новых равновесных зерен с неискаженной кристаллической решеткой. Новые зерна возникают у границ старых зерен и блоков, где решетка была наиболее искажена. Количество новых зерен постепенно увеличивается и в структуре не остается старых деформированных зерен.

Движущей силой первичной рекристаллизации является энергия, аккумулированная в наклепанном металле. Система стремится перейти в устойчивое состояние с неискаженной кристаллической решеткой.

2 стадия – собирательная рекристаллизация заключается в росте образовавшихся новых зерен.

Движущей силой является поверхностная энергия зерен. При мелких зернах поверхность раздела большая, поэтому имеется большой запас поверхностной энергии. При укрупнении зерен общая протяженность границ уменьшается, и система переходит в более равновесное состояние.

Основными факторами, определяющими величину зерен металла при рекристаллизации, являются температура, продолжительность выдержки при нагреве и степень предварительной деформации

С повышением температуры происходит укрупнение зерен, с увеличением времени выдержки зерна также укрупняются. Наиболее крупные зерна образуются после незначительной предварительной деформации 3…10 %. Такую деформацию называют критической. И такая деформация нежелательна перед проведением рекристаллизационного отжига.

Практически рекристаллизационный отжиг проводят дпя малоуглеродистых сталей при температуре 600…700oС, для латуней и бронз – 560…700oС, для алюминевых сплавов – 350…450oС, для титановых сплавов – 550…750oС.

Металлы и неметаллы, класс 10 Глава 3 Научные заметки

    • БЕСПЛАТНАЯ ЗАПИСЬ КЛАСС
    • КОНКУРСНЫЕ ЭКЗАМЕНА
      • BNAT
      • Классы
        • Класс 1–3
        • Класс 4-5
        • Класс 6-10
        • Класс 110003 CBSE
          • Книги NCERT
            • Книги NCERT для класса 5
            • Книги NCERT, класс 6
            • Книги NCERT для класса 7
            • Книги NCERT для класса 8
            • Книги NCERT для класса 9
            • Книги NCERT для класса 10
            • NCERT Книги для класса 11
            • NCERT Книги для класса 12
          • NCERT Exemplar
            • NCERT Exemplar Class 8
            • NCERT Exemplar Class 9
            • NCERT Exemplar Class 10
            • NCERT Exemplar Class 11
            • 9plar
            • RS Aggarwal
              • RS Aggarwal Решения класса 12
              • RS Aggarwal Class 11 Solutions
              • RS Aggarwal Решения класса 10
              • Решения RS Aggarwal класса 9
              • Решения RS Aggarwal класса 8
              • Решения RS Aggarwal класса 7
              • Решения RS Aggarwal класса 6
            • RD Sharma
              • RD Sharma Class 6 Решения
              • RD Sharma Class 7 Решения
              • Решения RD Sharma Class 8
              • Решения RD Sharma Class 9
              • Решения RD Sharma Class 10
              • Решения RD Sharma Class 11
              • Решения RD Sharma Class 12
            • PHYSICS
              • Механика
              • Оптика
              • Термодинамика
              • Электромагнетизм
            • ХИМИЯ
              • Органическая химия
              • Неорганическая химия
              • Периодическая таблица
            • MATHS
              • Статистика
              • Числа
              • Числа Пифагора Тр Игонометрические функции
              • Взаимосвязи и функции
              • Последовательности и серии
              • Таблицы умножения
              • Детерминанты и матрицы
              • Прибыль и убыток
              • Полиномиальные уравнения
              • Разделение фракций
            • Microology
        • FORMULAS
          • Математические формулы
          • Алгебраные формулы
          • Тригонометрические формулы
          • Геометрические формулы
        • КАЛЬКУЛЯТОРЫ
          • Математические калькуляторы
          • 0003000
          • 000
          • 000 Калькуляторы по химии
          • 000
          • 000
          • 000 Образцы документов для класса 6
          • Образцы документов CBSE для класса 7
          • Образцы документов CBSE для класса 8
          • Образцы документов CBSE для класса 9
          • Образцы документов CBSE для класса 10
          • Образцы документов CBSE для класса 1 1
          • Образцы документов CBSE для класса 12
        • Вопросники предыдущего года CBSE
          • Вопросники предыдущего года CBSE, класс 10
          • Вопросники предыдущего года CBSE, класс 12
        • HC Verma Solutions
          • HC Verma Solutions Класс 11 Физика
          • HC Verma Solutions Класс 12 Физика
        • Решения Лакмира Сингха
          • Решения Лакмира Сингха класса 9
          • Решения Лахмира Сингха класса 10
          • Решения Лакмира Сингха класса 8
        • 9000 Класс
        9000BSE 9000 Примечания3 2 6 Примечания CBSE
      • Примечания CBSE класса 7
      • Примечания
      • Примечания CBSE класса 8
      • Примечания CBSE класса 9
      • Примечания CBSE класса 10
      • Примечания CBSE класса 11
      • Примечания 12 CBSE
    • Примечания к редакции 9000 CBSE 9000 Примечания к редакции класса 9
    • CBSE Примечания к редакции класса 10
    • CBSE Примечания к редакции класса 11
    • Примечания к редакции класса 12 CBSE
  • Дополнительные вопросы CBSE
    • Дополнительные вопросы по математике для класса 8 CBSE
    • Дополнительные вопросы по науке для класса 8 CBSE
    • Дополнительные вопросы по математике класса 9 CBSE
    • Дополнительные вопросы по математике класса 9 CBSE Вопросы
    • CBSE Class 10 Дополнительные вопросы по математике
    • CBSE Class 10 Science Extra questions
  • CBSE Class
    • Class 3
    • Class 4
    • Class 5
    • Class 6
    • Class 7
    • Class 8 Класс 9
    • Класс 10
    • Класс 11
    • Класс 12
  • Учебные решения
  • Решения NCERT
    • Решения NCERT для класса 11
      • Решения NCERT для класса 11 по физике
      • Решения NCERT для класса 11 Химия
      • Решения NCERT для биологии класса 11
      • Решение NCERT s Для класса 11 по математике
      • NCERT Solutions Class 11 Accountancy
      • NCERT Solutions Class 11 Business Studies
      • NCERT Solutions Class 11 Economics
      • NCERT Solutions Class 11 Statistics
      • NCERT Solutions Class 11 Commerce
    • NCERT Solutions for Class 12
      • Решения NCERT для физики класса 12
      • Решения NCERT для химии класса 12
      • Решения NCERT для биологии класса 12
      • Решения NCERT для математики класса 12
      • Решения NCERT, класс 12, бухгалтерский учет
      • Решения NCERT, класс 12, бизнес-исследования
      • NCERT Solutions Class 12 Economics
      • NCERT Solutions Class 12 Accountancy Part 1
      • NCERT Solutions Class 12 Accountancy Part 2
      • NCERT Solutions Class 12 Micro-Economics
      • NCERT Solutions Class 12 Commerce
      • NCERT Solutions Class 12 Macro-Economics
    • NCERT Solut ion Для класса 4
      • Решения NCERT для математики класса 4
      • Решения NCERT для класса 4 EVS
  • .

    Исследование подтверждает точную природу фракционной кристаллизации в смесях твердых сфер

    Предоставлено: Bommineni et al.

    Хотя в нескольких предыдущих исследованиях изучали образование кристаллов из идентичных частиц, условия, при которых кристаллизуются неоднородные частицы, и кристаллы, полученные в результате этого процесса, все еще плохо изучены. В недавнем исследовании, опубликованном в Physical Review Letters ( PRL ), исследователи из Университета Фридриха-Александра в Эрлангене-Нюрнберге собрали интересные выводы об образовании сложных кристаллов из сфер с дисперсными размерами.

    Известно, что идентичные частицы, такие как атомы или коллоидные частицы, которые подобны друг другу, имеют низкую дисперсность. Дисперсность - это мера неоднородности размеров частиц или молекул в смеси.

    Кристаллизация - очень распространенное явление для идентичных частиц, но ее гораздо труднее достичь, когда частицы имеют разные размеры (т.е.е. высокая дисперсность). Даже после того, как они подвергаются процессу синтеза, частицы часто демонстрируют значительную дисперсию, особенно если процесс синтеза не контролируется тщательно.

    «Наше исследование показывает, что дисперсность, хотя и препятствует кристаллизации, не запрещает ее полностью», - сказал Phys.org Майкл Энгель, один из исследователей, проводивших исследование. «Вместо этого новые типы кристаллов появляются в результате процесса, называемого фракционной кристаллизацией. Фракционная кристаллизация имеет множество технологических применений и актуальна в геологии.Наша работа является первой, которая подтверждает точную природу фракционной кристаллизации в простейших возможных частицах, твердых сферах, систематически с использованием передового статистического моделирования ».

    В своем исследовании Энгель и его коллеги использовали передовое компьютерное моделирование для моделирования движения и перегруппировки частиц во времени. При этом они использовали специальный числовой «трюк», чтобы поменять местами частицы с соседями и изменить их размер, так как это может значительно ускорить процесс моделирования.

    Предоставлено: Bommineni et al.

    «Предыдущие методы не использовали этот прием систематически в зависимости от распределения по размерам и плотности системы», - пояснил Энгель.

    Энгель и его коллеги продемонстрировали, что твердые сферы с распределением гауссова радиуса и дисперсностью до 19 процентов всегда кристаллизуются, если они сжимаются достаточно медленно. Кроме того, они заметили, что эта кристаллизация происходит удивительно сложными способами.

    «Мы выяснили, что популяции дисперсных частиц успешно кристаллизуются, и как они это делают», - сказал Энгель. «На практике для ускорения процесса кристаллизации важны некоторая мягкость частиц, длительное время и концепция, называемая динамической дисперсией (непрерывное регулирование размера, формы или заряда). Фактически, некоторые из наших предсказаний уже были успешно опубликованы. раньше в экспериментальных системах, включающих атомы, наночастицы с органическими линкерами и мягкие мицеллы (например, наноскопические мыльные пузыри).«

    Исследование, проведенное Энгелем и его коллегами, предлагает новое ценное понимание образования сложных кристаллов в твердых сферах, показывая обстоятельства, при которых это может происходить. Их наблюдения также предполагают, что может существовать связь между системами дисперсных частиц и сплавами, которые представляют собой металлы, полученные путем объединения двух или более металлических элементов.

    «Наши результаты намекают на тесную связь между системами дисперсных частиц и сплавами, так как сложные кристаллы (фазы Лавеса и другие фазы Франка-Каспера), которые мы наблюдали, традиционно хорошо известны в сплавах». - сказал Энгель. «В будущем разработанные нами методы моделирования могут быть применены к другим смесям частиц, которые имеют технологическое значение».


    Контроль кристаллизации материала путем перемешивания
    Дополнительная информация: Правин К.Bommineni et al. Сложные кристаллы из сфер с дисперсным размером, Physical Review Letters (2019). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.122.128005

    engellab.de/fractional-crystal… твердые сферы

    © 2019 Сеть Science X

    Ссылка : Исследование подтверждает точную природу фракционной кристаллизации в смесях твердых сфер (2019, 12 апреля) получено 31 октября 2020 с https: // физ.org / news / 2019-04-Precision-Nature-Fraction-Crystalization-hard.html

    Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

    .

    1:31 понять, как формулы простых соединений могут быть получены экспериментально, включая оксиды металлов, воду и соли, содержащие кристаллизационную воду

    Экспериментальное определение формулы оксида металла

    Формулы оксидов металлов могут быть найдены экспериментально путем реакции металла с кислородом и регистрации изменений массы.

    Пример: Когда магний сжигается на воздухе, он реагирует с кислородом (O 2 ) с образованием оксида магния (MgO).

    Метод:
    • Взвесьте тигель и крышку
    • Поместите магниевую ленту в тигель, закройте крышку и повторно взвесьте
    • Рассчитайте массу магния
    (масса тигля + крышка + магний - масса тигля + крышка)
    • Нагрейте тигель с закрытой крышкой до тех пор, пока магний не загорится.
    (крышка предотвращает выход оксида магния, обеспечивая точные результаты).
    • Время от времени поднимайте крышку (это позволяет воздуху проникать)
    • Прекратите нагревание, если нет никаких признаков дальнейшего реакция
    (это гарантирует, что весь Mg прореагировал)
    • Дать остыть и повторно взвесить
    • Повторить нагревание, охлаждение и повторно взвесить до тех пор, пока две последовательные массы не станут одинаковыми
    (это гарантирует, что весь Mg прореагировал, и поэтому результаты будут точными) • Рассчитайте массу образовавшегося оксида магния (масса тигля + крышка + оксид магния - масса тигля + крышка)

    Определение формулы соли, содержащей кристаллизационную воду

    Когда некоторые вещества кристаллизуются из раствора, вода химически связывается с солью.Это называется кристаллизационной водой, а соль гидратирована. Например, гидратированный сульфат меди имеет формулу CuSO 4 .5H 2 O, которая показывает, что на каждый CuSO 4 в кристалле приходится пять молекул воды (H 2 O).

    При нагревании соли, содержащей кристаллизационную воду, вода уносится, оставляя безводную (без воды) соль. Если гидратированный сульфат меди (CuSO 4 .5H 2 O) сильно нагреть в тигле, он разрушится, и вода потеряется, оставив после себя безводный сульфат меди (CuSO 4 ).Используемый метод аналогичен методу для оксидов металлов, как показано выше. Разница в массе до и после нагрева - это масса потерянной воды. Эти массовые числа можно использовать для получения формулы соли.

    .

    Кристаллическая решетка: определение и структура

    Все материальные вещества существуют в трех основных состояниях: жидком, твердом и газообразном. Тем не менее, есть состояние плазмы, которое ученые считают четвертым состоянием материи, но наша статья не о плазме. Вы знаете, что общего между поваренной солью и красивым бриллиантом? По своей структуре они оба являются твердыми объектами. Твердые объекты (будь то алмаз или соль) имеют особую кристаллическую структуру; они содержат крошечные взаимосвязанные кристаллы.Эта кристаллическая структура имеет определенный порядок, создающий кристаллическую решетку. Кристаллическая решетка - это расположение атомов в кристалле.

    Структура кристаллической решетки состоит из небольших элементарных ячеек: атомов, молекул, ионов и других элементарных частиц. Здесь показана структура кристаллической решетки.

    Существует четырнадцать типов кристаллических решеток.

    Ионная решетка имеет электрический заряд, противоположный ионам. Эти электрические заряды создают электромагнитное поле, и это поле определяет свойства веществ, имеющих ионную решетку: тугоплавкость, твердость, плотность и способность проводить электричество.Поваренная соль - хороший пример ионной решетки.

    Вещества с атомной решеткой имеют прочную ковалентную связь в узлах, состоящих из самих атомов. Ковалентные связи возникают, когда два идентичных атома обмениваются электронами друг с другом. Они образуют общую пару электронов для соседних атомов. Это причина того, что ковалентные связи связывают атомы в строгом порядке. Пожалуй, это самая характерная особенность атомной решетки. Химические элементы с атомной решеткой имеют высокую температуру плавления.Такие химические элементы, как алмаз, кремний, германий и бор, имеют атомную решетку.

    Молекулярная решетка характеризуется наличием стабильных и плотно упакованных молекул. Они расположены в узлах кристаллической решетки. Их удерживают силы Ван-дер-Уолша, которые в десять раз слабее сил ионного взаимодействия. Лед - хороший пример молекулярной решетки - твердого вещества, которое имеет свойство переходить в жидкое вещество. Связи между молекулами решетки довольно слабые.

    Структура металлической решетки более гибкая и пластичная, чем ионная, хотя внешне они очень похожи. Металлические решетки содержат положительно заряженные ионы металла в узлах решетки. Между узлами находятся электроны, которые участвуют в создании электрического поля. Иногда эти электроны называют электрическим газом. Структура металлической решетки объясняет его свойства: механическую прочность, тепло, электропроводность и плавкость.

    Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала «Познавайка»

    При написании статьи я старался сделать ее максимально интересной и полезной.Буду благодарен за любые отзывы и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Вы также можете написать свое пожелание / вопрос / предложение на мою почту [email protected] или в Facebook.

    .

    Смотрите также