1

KRYSTALIZACJA METALI

KRYSTALIZACJA METALI

II STOPÓW

STOPÓW

Zakres tematyczny

1

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka

y

y

Termodynamiczne warunki krystalizacji

Krystalizacja

– szczególny

rodzaj krzepnięcia w którym

hiq.linde-gas.fr

rodzaj krzepnięcia, w którym
ciecz ulega przemianie w stan
stały o budowie krystalicznej.

Zagadnienia krzepnięcia
metali i stopów stanowią

2

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka

istotę metalurgii.

2

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

d i ł f

d t

t

rozdziału faz od temperatury

Krzywe chłodzenia: teoretyczne (

a

) i rzeczywiste (

b

i

c

)

Przechłodzenie

Krystalizacja nierównowagowa

3

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka

Krystalizacja nierównowagowa

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,

4

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka

• heterogeniczne.

3

Zarodkowanie

HOMOGENICZNE

Zmiana energii swobodnej w zależności od promienia zarodka jednorodnego





= A

 – V F

Zmiana energii swobodnej

układu w czasie krystalizacji

A – powierzchnia rozdziału

 – napięcie powierzchniowe na
jednostkę powierzchni

V – objętość zarodka

F – różnica pomiędzy energią
swobodną cieczy i kryształów na
jednostkę objętości

Zależność

szybkości

zarodkowania

od

przechłodzenia

podczas

zarodkowania

homogenicznego i heterogenicznego

Schemat zmian promienia krytycznego zarodka
podczas

zarodkowania

homogenicznego

w zależności od przechłodzenia

5

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka

Zarodkowanie

HETEROGENICZNE

Zależność promienia krytycznego zarodka podczas zarodkowania heterogenicznego od
przechłodzenia i kąta styku z podłożem



Schemat zarodkowania heterogenicznego krystalizacji oraz wpływ kształtu podłoża na jego
objętość

przechłodzenia i kąta styku z podłożem



6

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka

4

Mechanizmy wzrostu kryształów

SCHODKOWY

ŚRUBOWY

TARASOWY

7

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka

Kinetyka procesów krystalizacji

O szybkości procesu krzepnięcia decydują:

•

szybkość zarodkowania v

z

– ilość zarodków krystalizacji

tworzących się w ciągu jednostki czasu w jednostce objętości
cieczy metalicznej,

•

liniowa szybkość krystalizacji v

k

– szybkość przesuwania się

frontu krystalizacji, mierzona w jednostkach długości na jednostkę
czasu.

8

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka

5

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
krystalizacji metalu

Uprzywilejowane kierunki wzrostu
kryształów

9

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka

www.msm.cam.ac.uk

Wzrost dendrytyczny zarodków -

PRZYKŁADY

10

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka

Mikrostruktura dendrytyczna staliwa stopowego

Dendryty cynku (wyodrębnione z fazy ciekłej)

6

Wzrost dendrytyczny zarodków -

PRZYKŁADY

www.its.caltech.edu

11

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka

Struktura dendrytyczna płatka śniegu

S

c

c

k



0

Krystalizacja stopów metali o strukturze roztworu stałego –

WSPÓŁCZYNNIK PODZIAŁU

L

c

Krystalizacja stopów metali o strukturze roztworu stałego –

PRZECHŁODZENIE STĘŻENIOWE

Wpływ przechłodzenia stężeniowego na tworzenie powierzchni międzyfazowej

12

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka

7

Krystalizacja stopów metali o strukturze mieszanin

Rodzaje mieszanin

(najczęściej
eutektycznych)

eutektycznych)

• płytkowe,

• słupkowe,

• ziarniste,

iglaste

13

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka

• iglaste.

Wpływ przechłodzenia stężeniowego na strukturę
i przebieg krystalizacji mieszaniny podeutektycznej

Struktura wlewka

1 - Kryształy zamrożone

2 - Kryształy słupkowe

3 - Kryształy wolne

14

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka

Wlewek

aluminiowy

(

wysokość - ok. 5 cm

)

www.msm.cam.ac.uk

8

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 : Metaloznawstwo teoretyczne cz II: Przemiany fazowe Wyd Pol Śląska Gliwice 1989

15

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2011/2012 - dr inż. Maciej Motyka

Adamczyk J.: Metaloznawstwo teoretyczne, cz. II: Przemiany fazowe. Wyd. Pol. 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