krystalizacja metali i stopów

KRYSTALIZACJA METALI
I STOPÓW
Zakres tematyczny
y
y
1
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
Termodynamiczne warunki krystalizacji
hiq.linde-gas.fr
Krystalizacja – szczególny
rodzaj krzepnięcia,
krzepnięcia w którym
ciecz ulega przemianie w stan
stały o budowie krystalicznej.
Zagadnienia krzepnięcia
metali i stopów stanowią
istotę metalurgii.
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
2
1
Termodynamiczne warunki krystalizacji
Równowaga faz w układzie jednoskładnikowym
Zależność energii swobodnej faz stałej i ciekłej od temperatury
Zależność szybkości top-nienia i krystalizacji oraz szybkości przemieszczania się granicy
rozdziału
d i ł faz
f od
d temperatury
t
t
Przechłodzenie
Krzywe chłodzenia: teoretyczne (a) i rzeczywiste (b i c)
Krystalizacja nierównowagowa
3
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
Tworzenie zarodków krystalizacji
Zarodki
krystalizacji
w
fazie
ciekłej
–
zespoły
bliskiego
uporządkowania o wielkości większej od krytycznej, do których
przyłączają się kolejno następne atomy.
Rozróżnia się dwa rodzaje zarodkowania:
• homogeniczne,
• heterogeniczne.
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
4
2
Zarodkowanie HOMOGENICZNE
Zmiana energii swobodnej w zależności od promienia zarodka jednorodnego
Zmiana energii swobodnej
układu w czasie krystalizacji
 = A  – V F
A – powierzchnia rozdziału
Schemat zmian promienia krytycznego zarodka
 – napięcie powierzchniowe na
jednostkę powierzchni
podczas
V – objętość zarodka
F – różnica pomiędzy energią
swobodną cieczy i kryształów na
jednostkę objętości
zarodkowania
homogenicznego
w zależności od przechłodzenia
Zależność
szybkości
przechłodzenia
zarodkowania
podczas
od
zarodkowania
homogenicznego i heterogenicznego
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
5
Zarodkowanie HETEROGENICZNE
Schemat zarodkowania heterogenicznego krystalizacji oraz wpływ kształtu podłoża na jego
objętość
Zależność promienia krytycznego zarodka podczas zarodkowania heterogenicznego od
przechłodzenia i kąta styku z podłożem 
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
6
3
Mechanizmy wzrostu kryształów
SCHODKOWY
TARASOWY
ŚRUBOWY
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
7
Kinetyka procesów krystalizacji
O szybkości procesu krzepnięcia decydują:
•
szybkość zarodkowania vz – ilość zarodków krystalizacji
tworzących się w ciągu jednostki czasu w jednostce objętości
cieczy metalicznej,
• liniowa szybkość krystalizacji vk – szybkość przesuwania się
frontu krystalizacji, mierzona w jednostkach długości na jednostkę
czasu.
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
8
4
Kinetyka procesu krystalizacji
Zależność szybkości zarodkowania i liniowej szybkości krystalizacji od przechłodzenia cieczy
metalicznej (wg Tammanna)
Krystalizacja czystych metali
Wpływ gradientu temperatury w cieczy na przebieg krzepnięcia (kształt granicy rozdziału faz)
Wzrost dendrytyczny zarodków
Schemat wzrostu dendrytycznego podczas
Uprzywilejowane kierunki wzrostu
krystalizacji metalu
kryształów
9
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
Wzrost dendrytyczny zarodków - PRZYKŁADY
www.msm.cam.ac.uk
Dendryty cynkudendrytyczna
(wyodrębnione
z fazystopowego
ciekłej)
Mikrostruktura
staliwa
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
10
5
Wzrost dendrytyczny zarodków - PRZYKŁADY
www.its.caltech.edu
Struktura dendrytyczna płatka śniegu
11
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
Krystalizacja stopów metali o strukturze roztworu stałego –
WSPÓŁCZYNNIK PODZIAŁU
cS
k0 
cL
Krystalizacja stopów metali o strukturze roztworu stałego –
PRZECHŁODZENIE STĘŻENIOWE
Wpływ przechłodzenia stężeniowego na tworzenie powierzchni międzyfazowej
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
12
6
Krystalizacja stopów metali o strukturze mieszanin
Rodzaje mieszanin
(najczęściej
eutektycznych)
• płytkowe,
• słupkowe,
• ziarniste,
• iglaste.
iglaste
Wpływ przechłodzenia stężeniowego na strukturę
i przebieg krystalizacji mieszaniny podeutektycznej
13
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
Struktura wlewka
1 - Kryształy zamrożone
2 - Kryształy słupkowe
3 - Kryształy wolne
Wlewek
aluminiowy
(wysokość - ok. 5 cm)
www.msm.cam.ac.uk
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
14
7
Literatura źródłowa:
1.
Dobrzański L. A.: Metaloznawstwo z podstawami nauki o materiałach. WNT, Warszawa 1999
2.
Przybyłowicz K.: Podstawy teoretyczne metaloznawstwa. WNT, Warszawa 1999
3.
Rudnik S.: Metaloznawstwo. PWN, Warszawa 1998
4.
Dobrzański L. A.: Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo. Materiały inżynierskie
z podstawami projektowania materiałowego. WNT, Warszawa 2003
5.
Fraś E.: Krystalizacja metali. WNT, Warszawa 2003
Literatura uzupełniająca:
Blicharski M.: Przemiany fazowe. Wyd. AGH, Kraków 1990
Adamczyk J.:
J : Metaloznawstwo teoretyczne,
teoretyczne cz.
cz II: Przemiany fazowe.
fazowe Wyd.
Wyd Pol.
Pol Śląska,
Śląska Gliwice 1989
Kędzierski Z.: Przemiany fazowe w metalach i stopach, Wyd. AGH, Kraków 1988
Prowans S.: Struktura stopów. PWN, Warszawa 2000
Przybyłowicz K.: Metaloznawstwo. WNT, Warszawa 1999
Ashby M. F., Jones R. H.: Materiały inżynierskie – cz. I i II. WNT, Warszawa 1995
Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka
15
8