Кривые охлаждения, влияние скорости охлаждения на число центров кристаллизации. Диффузия: механизм, зависимость от температуры

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

 

федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова»

(ВФ ФГБОУ ВПО «ИжГТУ  имени М.Т. Калашникова»)

 

 

 

Кафедра «Технология машиностроения и приборостроения»

 

 

 

 

 

 

 

Контрольная работа

 

 

по дисциплине: « Материаловедение »

(специальность  151001)

Вариант № 2

Тема: «Кривые охлаждения, влияние скорости охлаждения на число центров кристаллизации. Диффузия: механизм, зависимость от температуры»

 

 

 

 

Выполнил: студент гр. Б-03-721-1 (3,5) з                           Белоногова А.С.             

Проверил:                                                                              Святский В.М.

                                    

 

 

 

 

Воткинск, 2013

Содержание:

 

1. Кривые охлаждения                                                                                            3
2. Диффузия                                                                                                             5

Заключение                                                                                                               8

Список литературы                                                                                                  9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Кривые охлаждения

Кривые охлаждения –  графическое изображение зависимости  температуры от времени для исходных чистых веществ A и B и их смесей различного состава. Вид этих кривых свидетельствует  о наличии или отсутствии фазовых  превращений при некоторых определенных температурах или в интервале температур.

Рисунок 1: Построение диаграммы плавкости для веществ, полностью растворяющихся в жидком и нерастворяющихся в твердом состояниях: а) кривые охлаждения; б) диаграмма плавкости

Расплав чистого компонента можно рассматривать как растворитель. Согласно закону Рауля, добавление второго компонента (растворенного вещества) вызывает понижение температуры кристаллизации системы (раствора). При охлаждении расплава, пока в охлаждаемой системе не происходит фазовых превращений, температура расплава падает с определенной скоростью. Появление кристаллов сопровождается выделением теплоты кристаллизации и замедляет или приостанавливает падение температуры, вызывая излом или площадку на кривой охлаждения.

Из анализа кривых охлаждения (рис.1а) следует, что смеси веществ при охлаждении претерпевают по два фазовых превращения, и изломы на их кривых характеризуют начало выделения из расплава кристаллов вещества A (кривая 2) или вещества B (кривая 4), а площадки – выделение эвтектической смеси, насыщенной в отношении обоих компонентов.

Таким образом, кристаллизация жидкой смеси в отличие от кристаллизации чистого вещества (кривые 1,5) сопровождается изменением состава жидкой фазы и  лежит в некотором температурном интервале. Смесь эвтектического состава (кривая 3) кристаллизуется подобно чистым компонентам при постоянной температуре, поэтому дает монотонную кривую охлаждения с горизонтальным участком при эвтектической, наименьшей для данной системы температуре.

После окончания кристаллизации идет охлаждение отвердевшей системы  до температуры окружающей среды.

Величина зерен зависит от числа  зародышей кристаллизации и скорости их роста. На рис.  схематично показано влияние скорости охлаждения (а—в) на возникновение центров кристаллизации (I) и величину зерен (II).

Если скорость охлаждения мала, то число возникающих и растущих зародышей невелико и в конце  кристаллизации формируются структуры  из крупных зерен. При большой  скорости охлаждения число одновременно развивающихся центров кристаллизации, а следовательно, и число зерен возрастает и в конце кристаллизации они оказываются меньше, чем в первом случае. Это можно наблюдать на практике — в тонких сечениях литых деталей структура стали мелкозернистая, так как здесь происходит более быстрое охлаждение, чем в толстых сечениях. Чем мельче зерна, тем выше прочность и особенно вязкость металла.

 

 

3. Диффузия.

 

Диффу́зия (лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание, взаимодействие) — процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму[1]. В некоторых ситуациях одно из веществ уже имеет выравненную концентрацию и говорят о диффузии одного вещества в другом. При этом перенос вещества происходит из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией (по градиенту концентрации).

Обычно под диффузией  понимают процессы, сопровождающиеся переносом материи, однако иногда диффузионными  называют также другие процессы переноса: теплопроводность, вязкое трение и т. п.

Все виды диффузии подчиняются  одинаковым законам. Скорость диффузии пропорциональна площади поперечного  сечения образца, а также разности концентраций, температур или зарядов (в случае относительно небольших величин этих параметров). Так, тепло будет в четыре раза быстрее распространяться через стержень диаметром в два сантиметра, чем через стержень диаметром в один сантиметр. Это тепло будет распространяться быстрее, если перепад температур на одном сантиметре будет 10 °C вместо 5 °C. Скорость диффузии пропорциональна также параметру, характеризующему конкретный материал. В случае тепловой диффузии этот параметр называется теплопроводность, в случае потока электрических зарядов — электропроводность. Количество вещества, которое диффундирует в течение определённого времени, и расстояние, проходимое диффундирующим веществом, пропорциональны квадратному корню времени диффузии.

Диффузия представляет собой процесс на молекулярном уровне и определяется случайным характером движения отдельных молекул. Скорость диффузии в связи с этим пропорциональна  средней скорости молекул. В случае газов средняя скорость малых  молекул больше, а именно она обратно пропорциональна квадратному корню из массы молекулы и растёт с повышением температуры. Диффузионные процессы в твёрдых телах при высоких температурах часто находят практическое применение. Например, в определённых типах электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) применяется металлический торий, продиффундировавший через металлический вольфрам при 2000 °C.

Если в смеси газов  масса одной молекулы в четыре раза больше другой, то такая молекула передвигается в два раза медленнее  по сравнению с её движением в чистом газе. Соответственно, скорость диффузии её также ниже. Эта разница в скорости диффузии лёгких и тяжёлых молекул применяется, чтобы разделять субстанции с различными молекулярными весами. В качестве примера можно привести разделение изотопов. Если газ, содержащий два изотопа, пропускать через пористую мембрану, более лёгкие изотопы проникают через мембрану быстрее, чем тяжёлые. Для лучшего разделения процесс производится в несколько этапов. Этот процесс широко применялся для разделения изотопов урана (отделение 235U от основной массы 238U). Поскольку такой способ разделения требует больших энергетических затрат, были развиты другие, более экономичные способы разделения. Например, широко развито применение термодиффузии в газовой среде. Газ, содержащий смесь изотопов, помещается в камеру, в которой поддерживается пространственный перепад (градиент) температур. При этом тяжёлые изотопы со временем концентрируются в холодной области.

Наиболее быстро диффузия происходит в газах, медленнее в жидкостях, ещё медленнее в твёрдых телах, что обусловлено характером теплового движения частиц в этих средах. Траектория движения каждой частицы газа представляет собой ломаную линию, т.к. при столкновениях частицы меняют направление и скорость своего движения. Неупорядоченность движения приводит к тому, что каждая частица постепенно удаляется от места, где она находилась, причём её смещение по прямой гораздо меньше пути, пройденного по ломаной линии. Поэтому диффузионное проникновение значительно медленнее свободного движения (скорость диффузионного распространения запахов, например, много меньше скорости молекул).

В жидкостях, в соответствии с характером теплового движения молекул, диффузия осуществляется перескоками  молекул из одного временного положения равновесия в другое. Каждый скачок происходит при сообщении молекуле энергии, достаточной для разрыва её связей с соседними молекулами и перехода в окружение др. молекул (в новое энергетически выгодное положение). В среднем скачок не превышает межмолекулярного расстояния. Диффузионное движение частиц в жидкости можно рассматривать как движение с трением, к нему применимо второе соотношение Эйнштейна: D ~ ukT. Здесь k — Больцмана постоянная, u — подвижность диффундирующих частиц, т. е. коэффициент пропорциональности между скоростью частицы с и движущей силой F при стационарном движении с трением (с = uF). Если частицы сферически симметричны, то u = 1/6phr, где h — коэффициент вязкости жидкости, r — радиус частицы (см. Стокса закон).

   Коэффициент диффузии  в жидкости увеличивается с температурой, что обусловлено «разрыхлением» структуры жидкости при нагреве и соответствующим увеличением числа перескоков в единицу времени.

   В твёрдом теле  могут действовать несколько  механизмов диффузии: обмен местами  атомов с вакансиями (незанятыми узлами кристаллической решётки), перемещение атомов по междоузлиям, одновременное циклическое перемещение нескольких атомов, прямой обмен местами двух соседних атомов и т.д. Первый механизм преобладает, например, при образовании твёрдых растворов замещения, второй — твёрдых растворов внедрения.

   Коэффициент диффузии  в твёрдых телах крайне чувствителен  к дефектам кристаллической решётки,  возникшим при нагреве, напряжениях,  деформациях и др. воздействиях. Увеличение числа дефектов (главном образом вакансий) облегчает перемещение атомов в твёрдом теле и приводит к росту коэффициента диффузии. Для коэффициента диффузии в твёрдых телах характерна резкая (экспоненциальная) зависимость от температуры. Так, коэффициент диффузии цинка в медь при повышении температуры от 20 до 300°С возрастает в 1014 раз.

 

Заключение.

 

Скорость диффузии увеличивается  с ростом температуры, так как  молекулы взаимодействующих тел  начинают двигаться быстрее. Это  утверждение справедливо для  веществ находящихся в любом агрегатном состоянии.

Если скорость охлаждения мала, то число возникающих и растущих зародышей невелико и в конце  кристаллизации формируются структуры  из крупных зерен. При большой  скорости охлаждения число одновременно развивающихся центров кристаллизации, а следовательно, и число зерен возрастает и в конце кристаллизации они оказываются меньше, чем в первом случае.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы:

1. Арзамасов «Материаловедение»
2. Лахтин Ю.М. «Материаловедение»