Закономерность изменения числа фаз в гетерогенных системах
Введение
Фазой называется однородная обособленная
часть системы (металлa или сплава), имеющая одинаковый состав, строение и свойства,
отделенная от других частей системы поверхностью раздела. В зависимости от
физико-химических взаимодействий между атомами компонентов в сплавах образуются
твердые растворы или промежуточные соединения. Знание правил фаз позволит
оказывать направленное воздействие на процесс образования конечного продукта по
заранее определенным параметрам и свойствам. Поэтому тема контрольной работы актуальна
и практически значима.
Объект исследования:
гетерогенные системы. Предмет - закономерность изменения числа фаз в
гетерогенных системах. Правила фаз. Цель написания работы: выявить
значение изменения числа фаз при превращении материалов из жидкого состояния в
твердое и наоборот.
Для достижения цели решались следующие задачи:
анализировались реакции кристаллизации, как основного фазового превращения;
выявлялись пути возникновения в исходной фазе небольших объемов новой фазы,
называемых зародышами или центрами, и последующего их роста; выявлялись
проблемы, возникающие вследствие увеличения числа и размеров растущих
кристаллов, приводящее к их столкновению и нарушению правильной формы
многогранников.
При работе над темой использовались методы:
наблюдение, сравнение, обобщение.
Работа базировалась на трудах: А.М.
Захарова и Б.Н. Арзамасова.
Таким образом, удалось выяснить, что
процесс кристаллизации материала происходит по правилам фаз и зависит от
скорости затвердевания массы.
Закономерность
изменения числа фаз в гетерогенной системе. Правила фаз
Кристаллизация, т.е. процесс перехода
металла из жидкого состояния в твердое, является основным фазовым превращением,
происходящим во всех металлах, так как при этом формируется кристаллическая
структура, характерная для истинно твердого тела. Установлено, что любое
фазовое превращение протекает путем возникновения в исходной фазе небольших
объемов новой фазы, называемых зародышами или центрами, и последующего их
роста. Чем больше возникает таких центров, и чем больше скорость их роста, тем
быстрее протекает фазовое превращение.
В условиях кристаллизации эти центры могут
возникать в тех объемах жидкой фазы, в пределах которых в данный момент времени
расположение атомов было близким или аналогичным их расположению в решетке
кристалла, и где флуктуация энергии достаточна для преодоления энергетического
барьера зарождения, являющегося следствием возникновения межфазной поверхности
раздела жидкий сплав - кристалл.
Процесс кристаллизации сопровождается
выделением определенного количества теплоты (теплоты кристаллизации) и поэтому
при охлаждении металла зависимость изменения температуры от времени охлаждения
не изображается непрерывной кривой. Вид этих кривых определяется соотношением
между количеством выделяющейся в процессе кристаллизации теплоты и скоростью
отвода теплоты от металла при охлаждении Qохл..
Кристаллизация развивается путем
образования зародышевых центров и их последующего роста. Кристалл, выросший из
одного зародыша, имеет одинаковую кристаллографическую ориентировку и
называется кристаллитом, или зерном.
Чем больше скорость образования центров
кристаллизации и меньше скорость их роста, тем меньше будут размеры кристаллов
и, соответственно, больше их количество в данном закристаллизовавшемся объеме.
Кристаллы, образующиеся при затвердевании,
могут приобретать различную форму в зависимости от условий их роста. Они могут
быть многогранниками, дендритами, игольчатыми, пластинчатыми и т.д. В
многогранниках, которые образуются при малых степенях переохлаждения, и в
условиях всестороннего питания жидким металлом обычно более развитыми являются
грани, характеризующиеся простыми индексами, так как по этим граням выше
плотность упаковки атомов, и поэтому их поверхностная свободная энергия
минимальна.
По мере увеличения числа и размеров
растущих кристаллов неизбежно их столкновение, которое приводит к нарушению
правильной формы многогранников. Размер тех или иных граней данного
многогранника тем больше, чем меньше скорость их роста. Рост граней с простыми
индексами происходит послойно, так что незавершенные слои движутся по
поверхности грани. При росте многогранников из расплава их пресыщение у вершин
и ребер оказывается выше, чем у других элементов поверхности кристаллов, и в
результате вершины (или ребра) являются ведущими источниками появления слоев
роста.
Поэтому в своем росте они обгоняют
центральные участки плоских граней. При этом объемы жидкой фазы, где достигнута
подобная флуктуация энергии, должны быть близки к размерам кристаллического
зародыша критического размера. Образованию центров кристаллизации способствует
присутствие в жидком металле посторонних (примесных) твердых частиц,
находящихся там случайно, а иногда намеренно введенных, так как в этом случае
для образования таких центров достаточно уже значительно меньших флуктуации
энергии.
Первый путь образования центров
кристаллизации называется самопроизвольным (или гомогенным), второй - не
самопроизвольным (гетерогенным). Гетерогенный - разнородный по своему
составу или происхождению. Соответственно кристаллизация может быть
самопроизвольной или не самопроизвольной. Однако независимо от механизма
возникновения центров дальнейший их рост подчиняется одним и тем же законам.
Для получения высоких свойств многих сплавов в литом состоянии в
расплав вводят специально подобранные вещества, образующие твердые частицы,
отличающиеся малым углом 
, на которых поверхностное
натяжение в контакте с кристалликами меньше, чем между последним и расплавом.
Можно повлиять на СЗЦ и при гомогенном зарождении, если ввести в расплав даже
небольшое (0,001-0,1%) количество растворимой поверхностно-активной примеси.
Атомы такой примеси, адсорбируясь на поверхности зародышей, уменьшают их
поверхностную энергию 
. Поэтому устойчивыми и способными к росту могут стать зародыши
меньших размеров, чем при отсутствии этих примесей.
Оба эти метода воздействия на величину поверхностной энергии
образующихся кристаллов находятся в основе способа модифицирования, который
используют при получении большого числа технических сплавов с целью получения в
них мелкозернистой структуры.
Количество не самопроизвольно возникающих зародышевых центров
кристаллизации зависит не только от количества и характера твердых частиц, но и
от температуры жидкого металла. С повышением температуры жидкого металла
снижается активность воздействия этих частиц на процесс кристаллизации, что
связано как с процессами частичного их растворения, так и с изменением их
состава и состояния поверхности.
При образовании сплавов имеет значение и проблема диффузии или
блуждание диффундирующих частиц. Диффузное движение любого атома - это
случайное блуждание из-за большой амплитуды колебаний, которое не зависит ни от
движения других атомов, ни от предыдущего движения данного атома. Движение
атома может быть направленным под воздействием градиента химического потенциала
, который является движущей силой
диффузного переноса атомов i-того
компонента в реальном твердом растворе.
Твердые растворы - это фазы, содержание компонентов в которых
может изменяться без нарушения типа кристаллической решетки основного
компонента. В зависимости от способа размещения атомов в кристаллической
решетке различают следующие типы твердых растворов - замещения, внедрения и
вычитания.
Как правило, при переходе в упорядоченное состояние растет
твердость сплавов, снижается пластичность и резко изменяются многие физические
свойства. Известен ряд видов ближнего порядка - жидкоподобный, микродоменный и
локальный дальний (или К-состояние). Образование ближнего порядка проявляется в
росте упрочнения сплавов и в изменении физических свойств.
Твердые растворы внедрения. Эти твердые растворы
образуются на основе металлов с такими неметаллами, как углерод, азот, водород,
бор и др. При этом атомы неметалла занимают окта- или тетра-эдрические поры в
решетке металла. Образование подобных твердых растворов возможно в том случае,
когда атомы неметаллов имеют существенно меньшие размеры, чем атомы металла.
Подобные твердые растворы не могут быть непрерывными, поскольку не может быть
непрерывного перехода от атомов металла к неметаллу. Твердые растворы внедрения
могут быть упорядоченными, когда атомы внедрены лишь в определенные и
закономерно расположенные поры в решетке металла. Известно пять типов
упорядоченных твердых растворов внедрения на базе металлической ГЦК решетки и
четыре типа на основе металлической ОЦК решетки.
Твердые растворы вычитания. Эти растворы образуются
на основе некоторых промежуточных фаз и химических соединений и
характеризуются дефектной решеткой, т.е. решеткой со свободными (или с
незанятыми) узлами, которые должны были принадлежать атомам одного из
компонентов. Эти свободные узлы могут возникать под влиянием изменения
концентрации одного из компонентов. Такие твердые растворы вычитания могут
возникать независимо от того, являются ли эти компоненты металлами или один из
них металл, а другой - неметалл.
Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение
состояния сплава. Если изменяется состав сплава, его температура, давление, и
состояние сплава также изменяется, то это находит графическое отображение в
диаграмме состояния.
Диаграмма состояния показывает устойчивые состояния, т.е.
состояния, которые при данных условиях обладают минимумом свободной энергии.
Поэтому диаграмма состояния может также называться диаграммой равновесия, так
как она показывает, какие при данных условиях существуют равновесные фазы. В
соответствии с этим и изменения в состоянии, которые отражены на диаграмме,
относятся к равновесным условиям, т.е. при отсутствии перенагрева или
переохлаждения.
Общие закономерности сосуществования устойчивых фаз,
отвечающих теоретическим условиям равновесия, могут быть выражены в математической
форме, именуемой правилом фаз, или законом Гиббса.
Правило фаз дает количественную зависимость между степенью
свободы системы и количеством фаз и компонентов. Чистый металл представляет
собой однокомпонентную систему, сплав двух металлов - двухкомпонентную и т.д.
Химические соединения можно рассматривать как компоненты лишь в том случае,
если они не диссоциируют на составные части в исследуемых интервалах
температур.
Под числом степеней свободы (вариантностью) системы понимают
число внешних и внутренних факторов (температура, давление и концентрация),
которое можно изменять без изменения числа фаз в системе.
Если число степеней свободы равно нулю (нонвариантная
система), то, очевидно, нельзя изменять внешние и внутренние факторы
системы (температуру, давление, концентрацию) без того, чтобы это не вызывало
изменения числа фаз. Если число степеней свободы равно единице (моновариантная
система), то возможно изменение s некоторых пределах одного из перечисленных факторов, и это
не вызовет уменьшения или увеличения числа фаз.
Таким образом, правило фаз представляет собой математическое
выражение условия равновесия системы, т.е. уравнение правила фал показывает
количественную зависимость между числом степеней свободы системы с и
числом компонентов k и фаз f.
Заключение
кристаллизация реакция
фазовый рост
Фазой называется однородная часть системы, отделенная от
других частей системы (фаз) поверхность раздела, при переходе через которую
химический состав или структура вещества изменяется скачком. Кристаллизация,
т.е. процесс перехода металла из жидкого состояния в твердое, является основным
фазовым превращением, происходящим во всех металлах, так как при этом
формируется кристаллическая структура, характерная для истинно твердого тела.
Любое фазовое превращение протекает путем возникновения в
исходной фазе небольших объемов новой фазы, называемых зародышами или центрами,
и последующего их роста. Величина кристаллов или зерен, получаемых при
кристаллизации, зависит, в основном, от степени переохлаждения. По мере увеличения
числа и размеров растущих кристаллов неизбежно их столкновение, которое
приводит к нарушению правильной формы многогранников. Размер тех или иных
граней данного многогранника тем больше, чем меньше скорость их роста.
Твердые растворы - это фазы, содержание компонентов в которых
может изменяться без нарушения типа кристаллической решетки основного
компонента. В зависимости от способа размещения атомов в кристаллической
решетке различают следующие типы твердых растворов - замещения, внедрения и вычитания.
Общие закономерности сосуществования устойчивых фаз,
отвечающих теоретическим условиям равновесия, могут быть выражены в
математической форме, именуемой правилом фаз, или законом Гиббса. Правило фаз
дает количественную зависимость между степенью свободы системы и количеством
фаз и компонентов
Таким образом, процесс кристаллизации происходит по
определенным законам и правилам. Он зависит от многих составляющих.
Литература
1. Захаров,
А.М. Диаграммы состояния двойных и тройных систем: учеб. пособие для вузов /
А.М. Захаров. - М.: Металлургия, 1978. - 295 с.
2. Материаловедение:
учебник для втузов / Под ред. Б.Н. Арзамасова. - М.: Машиностроение, 1986. -
236 с.
. Научные
основы материаловедения / Под ред. Б.Н. Арзамасова. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.
Баумана, 1994. - 366 с.
. Ожегов,
С.И. Толковый словарь русского языка / С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова / Рос.
академия наук. Ин-т русского языка им. В.В. Виноградова. - 4-е изд., доп. - М.:
Азбуковник, 1999. - 998 с.