Межфазной поверхности

На участке полной перекристаллизации (рис. 13.17,16) в металле проходят процессы аустенитизации, роста зерна и перераспределения легирующих элементов и примесей. Аустенитиза-ция — переход Fea -»• Fev. Этот переход для доэвтектоидных сталей происходит в интервале температур, причем в условиях неравновесного сварочного нагрева с большими скоростями он начинается и заканчивается при температурах более высоких, чем равновесные ЛС] и А сз. При нагреве до температур начала аустенитизации сталь получает структуру феррито-перлито-карбидной смеси. Переход в аустенитное состояние представляет собой фазовое превращение диффузионного типа. Превращение начинается на участках перлита. Зародыши аустенита образуются на межфазных поверхностях феррит—цементит. Поскольку на каждом участке перлита возникает несколько зародышей аустенита, превращение Fea ->- FeT приводит к измельчению зерна. При росте зародышей зерен аустенита вместе с перестройкой ОЦК решетки в ГЦК решетку возникает новая кристаллографическая ориентация последней. В результате исчезают границы бывших* аусте-нитных зерен и образуются новые границы при стыковке растущих зерен. После завершения этого процесса образуются так называемые начальные зерна аустенита. Чем дисперснее исходная структура стали, т. е. чем больше межфазная поверхность, на которой образуются зародыши зерен аустенита, тем меньше размер начального аустенитного зерна.

— — защитных газах 96 Межфазная поверхность 440 Металлическая связь 10 «Метелка» 86

Научно-исследовательские и проектно-конструкторские работы последних 30—35 лет в Советском Союзе [4—24] и примерно 15—20 лет в зарубежных странах показали, что для глубокого охлаждения продуктов сгорания природного газа ниже точки росы весьма эффективны конденсационные контактные (смесительные, пленочные) теплообменники, в которых дымовые газы и нагреваемая ими жидкость (вода, водные растворы различных веществ) непосредственно соприкасаются друг с другом. Большая межфазная поверхность в единице объема и более высокая интенсивность теплообмена в условиях конденсации водяных паров из газов в этих теплообменниках обеспечивают высокое теплонапряжение в аппарате, реальную возможность охлаждения газов до 20—40 °С и практически полное использование физической теплоты продуктов сгорания и значительной части теплоты конденсации содержащихся в них водяных паров при приемлемых габаритных размерах и аэродинамическом сопротивлении агрегатов.

кг/ (м- с), не зависит от радиуса в силу закона сохранения массы. Полагаем по-прежнему, что межфазная поверхность непроницаема для газа.

B сопловых аппаратах или трубах Вентури при значительных скоростях газового потока капли не могут сохранить сферическую форму. На рис. 2.13 показан кинокадр [2.60], полученный при скорости съемки 100 000 кадров/с, движения водовоздушного потока в трубе Вентури при скорости воздуха 80 м/с. Видно, что в горловом сечении капли приобретают форму парашютообразных мембран, причем межфазная поверхность взаимодействия на единицу объема \A3/AV возрастает чрезвычайно интенсивно. За минимальным сечением капли опять приобретают сферическую форму. На рис. 2.14 показано изменение межфазной поверхности взаимодействия АЛд/AF в единице объема среды вдоль тракта трубы Вентури по данным [2.60], Видно, что вблизи минимального сечения сопла сечение взаимодействия достигает максимума и затем уменьшается до нуля. Именно эта область вблизи горлового сечения сопла и определяет эффективность работы очистительных аппаратов, использующих в качестве элемента трубу Вентури. Нейман [2.60] для коэффициента массообмена (J и сечения взаимодействия А предложил эмпирическое соотношение

где s12 — суммарная межфазная поверхность испарения; для сферических пузырей s12 ~ Nm%, для цилиндрических паровых каналов в тонкой

диэлектрическая постоянная, дипольный момент молекул и-' другие молекулярные свойства фазы. Согласно второму закону термодинамики, всякая межфазная поверхность стремится к самопроизвольному сокращению для уменьшения свободной энергии.

Ситчатые пульсационные колонны [20] устроены практически ак же, как и аналогичные колонны без перемешивания. Основное тличие заключается в пульсационном подводе энергии для улучшения диспергирования и коалесценции. Дисперсная фаза будет шлесцировать выше или ниже перфорированной тарелки, и по-ерхностное натяжение будет препятствовать прохождению ее ерез перфорации до тех пор, пока цикл пульсации не переместит шу через перфорации и не диспергирует ее в сплошной фазе, ллошная фаза перемещается через отверстия перегородки в на-равлении противоположном циклу пульсации. Для наиболее })фективной работы тарелки должны обладать лучшей смачива-мостью сплошной фазой. Вследствие пульсационного подвода нергии увеличиваются турбулентность и межфазная поверхность, го способствует улучшению эффективности массопередачи, Пред-ожено много разновидностей устройств для создания пульсации, э наиболее широкое применение нашел диафрагмовый насос-ульсатор. Предложены также два способа с использованием «этого воздуха [21, 22], которые могут быть применены при оделировании крупных колонн. В [21, 83] предложено пульса-ию проводить с частотой собственных колебаний колонны. Ав-зры [22] предложили соединить пульсационное колено колонны выпускным отверстием, которое циклически открывается и зазывается клапаном. В работе [83] дан обзор пневматических у'льсаторов экстракционных колонн и рассмотрены вопросы кон-'руирования больших колонн с такими пульсаторами.

Переход от неравноосных форм кристаллов избыточной фазы к равноосным (сфероидизация) часто осуществляется путем деления кристаллов на части. Это деление хорошо изучено на примере сфероидизации цементита железоуглеродистых сплавов. На первый взгляд деление кажется энергетически неоправданным, так как сопряжено с развитием межфазной поверхности. Однако, если учесть эффект существующих в матрице и избыточной фазе структурных дефектов (границ и субграниц, скоплений дислокаций), диспергирование крупных кристаллов можно термодинамически обосновать. Например, в месте встречи границы зерен матрицы а с гранью избыточной фазы р (рис. 1 1) плоская межфазная поверхность оказывается неустойчивой. В условиях равновесия изменение термодинамического потенциала системы должно быть равно нулю. Предположим, что в результате роста кристалла 3 вдоль межзеренной границы матрицы межфазная поверхность увеличилась на Аг/. Развитие межфазной поверхности сопряжено с сокращением межзе-

Гринвуд и Джонсон [304], воспользовавшись уравнениями Мизеса, решили задачу о деформации металла, испытывающего полиморфное превращение под действием внешней нагрузки. Они исходили из того, что деформация должна локализоваться в наиболее слабой фазе. Подобный анализ формоизменения при многократном фазовом превращении, но без внешней нагрузки, содержится и в работах [88, 279]. Джонсон и Гринвуд рассмотрели случай, когда межфазная поверхность движется в постоянном направлении, сохра-

Если температура фазового превращения высокая, а межфазная поверхность медленно перемещается в образце, то напряжение, при котором деформируется наиболее слабая фаза, зависит от скорости и полная деформация за цикл

При нагреве сплава в области (а 4- р)-фаз (см. рис. 66) выделения [5-фазы превращаются в сферические (если они были пластинчатыми) и растут. Это приводит к уменьшению межфазной поверхности и понижению свободной энергии. Образование сферических частиц (например, из пластинчатых выделений) называют сфероидизацией, укрупнение выделений — коагуляцией или реже коалесценцией.

В а-фазе, образовавшейся на поверхности, и в нижележащей у-фа:ч> протекает диффузия насыщающего элемента, которая стре-мшч'я изменить установившуюся концентрацию на межфазной поверхности. Это приводит к развитию межфазной диффузии, т. е. переходу атомов диффундирующего элемента из а- в у-фазу, что восстанавливает пограничные концентрации на границе раздела фаз и продвигает ее в глубь обрабатываемого изделия. Скорость роста а-фазы будет тем выше, чем больше в ней подвижность диффундирующего элемента и чем медленнее протекает диффузия в у-фазе.

При наличии готовых межфазных поверхностей увеличивается вероятность гетерофазных флуктуации. Это приводит к появлению плоских зародышей кристаллитов на межфазной поверхности. Энергетические условия образования плоских зародышей отличаются от условий возникновения трехмерных зародышей,

Определим критический радиус плоского зародыша (рис. 12.6). При его возникновении на поверхности кристаллита площадь межфазной поверхности возрастает только на величину боковой поверхности зародыша.

Еще один фактор, влияющий на условия гетерогенной кристаллизации,— вид межфазной поверхности, разделяющей зародыш и твердую подложку. В реальных случаях она может быть выпуклой или вогнутой, что вызывает соответственно ослабление или усиление катализирующего влияния подложки.

Рассмотрим направленную кристаллизацию, которая происходит при постоянном направлении отвода теплоты и определенном градиенте температур в жидкой и твердой фазах. Распределение температуры у межфазной поверхности определяется соотношением градиентов температуры в жидкой и твердой фазах, а также выделением при кристаллизации скрытой теплоты плавления. В результате ее выделения температурные градиенты снижаются в области жидкой фазы и возрастают в твердой. Характер распределения температуры у межфазной поверхности определяет ее микрорельеф, а следовательно, и структуру металла, формирующуюся в процессе кристаллизации.

При кристаллизации чистых металлов вследствие флуктуации появляются выступы на межфазной поверхности. Выступы образуются в результате преимущественного развития плоскостей кристалла с высокой плотностью упаковки атомов вследствие

При наличии термического переохлаждения ДГ (рис. 12.9) выступы, образовавшиеся на межфазной поверхности, попадают в зону переохлаждения. Скорость их кристаллизации увеличивается, и они прорастают вперед. Плоский

В процессе кристаллизации форма межфазной поверхности фронта кристаллизации может быть плоской (линейный процесс кристаллизации при стыковой сварке стержней), цилиндрической (плоский процесс при сварке пластин встык с полным проплав-лением) и пространственной (объемный процесс при наплавке или сварке массивного изделия).

Используя выражение (12.28), можно получить уравнение для определения скорости кристаллизации, т. е. скорости роста кристаллов на различных участках их длины при сварке. Под скоростью кристаллизации здесь понимается скорость затвердевания, т. е. скорость перемещения межфазной поверхности в макромасштабе.

Модельный сплав КаМОз+2,5КНОз наносили на прозрачную подложку'слоем толщиной 2—3 мм. и расплавляли точечным источником тепла, ориентированным относительно оптической оси микроскопа. Скорость роста кристаллов регулировали изменением электрической мощности нагревателя пли скоростью перемещения подложи я оценивали ее, как перемещение характерных точек межфазной поверхности по отношению к времени, отсчитанного по секундомеру. В Зависимо-сти от скорости движения Межфазной поверхности наблюдали плоский ячеистый и дендритный рост кристаллов. При плоском росте кристаллов, скорость перемещения межфазиой поверхности практиче-