КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

Переход из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называют кристаллизацией. Процессы кристаллизации зависят от температуры и протекают во времени, поэтому кривые охлаждения строятся в коорди­натах температура - время (рис. 3). Теоретический, т.е. идеальный, про­цесс кристаллизации металла без переохлаждения протекает при темпе­ратуре Тs (рис. 3). При достижении идеальной температуры затвердева­ния Тs падение температуры прекращается. Это объясняется тем, что пе­регруппировка атомов при формировании кристаллической решетки идет с выделением тепла (выделяется скрытая теплота кристаллизации). Каж­дый чистый металл (не сплав) кристаллизуется при строго индивидуаль­ной постоянной температуре. По окончании затвердевания металла температура его снова понижается.

Практически кристаллизация протекает при более низкой температу­ре, т.е. при переохлаждении металла до температур Тn, Тn1, Тn2, (напри­мер, кривые 1,2). Степень переохлаждения (ΔТ=Тs-Тn) зависит от при­роды и чистоты металла и скорости охлаждения. Чем чище жидкий ме­талл, тем он более склонен к переохлаждению. При увеличении скоро­сти охлаждения степень переохлаждения возрастает, а зерна металла ста­новятся мельче, что улучшает его качество. Для большинства металлов степень переохлаждения при кристаллизации в производственных усло­виях составляет от 10 до 30°С. При больших скоростях охлаждения она может достигать сотен градусов.

 

Кривые кристаллизации металла при охлаждении с разной скоростью

 

 

Процесс кристализации состоит из двух стадий: зарождения кристаллов (зародышей или центров кристаллиза­ции) и роста кристаллов из этих цент­ров. При переохлаждении сплава ниже Тп на многих участках жидкого ме­талла (рис. 4, а, б) образуются способ­ные к росту кристаллические зароды­ши. Сначала образовавшиеся крис­таллы растут свободно и имеют более или менее правильную геометричес­кую форму (рис. 4, в, г, д). Затем при соприкосновении растущих кристалов их правильная форма нарушается, так как в этих участках рост граней прекращается.

Последовательные этапы процесса кристаллизации металла

Рост кристалла про­должается только в тех направлениях, где есть свободный доступ жидко­го металла. В результате кристаллы, имевшие сначала геометрически пра­вильную форму, после затвердевания получают неправильную форму, их называют кристаллитами или зернами (рис.4, е).

Величина зерен зависит от числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов. Чем больше центров кристаллизации, тем мельче зер­но металла.

Величина зерен, образующихся при кристаллизации, зависит не толь­ко от количества самопроизвольно зарождающихся центров кристалли­зации, но также и от количества нерастворимых примесей, всегда имею­щихся в жидком металле. Такие нерастворимые примеси являются гото­выми центрами кристаллизации. Ими являются оксиды (например, Аl2O3,), нитриды, сульфиды и другие соединения. Центрами кристалли­зации в данном металле или сплаве могут быть только такие твердые частицы, которые соизмеримы с размерами атомов основного металла. Кристаллическая решетка таких твердых частиц должна быть близка по своему строению и параметрам решетке кристаллизующегося металла. Чем больше таких частичек, тем мельче будут зерна закристаллизовав­шегося металла.

На образование центров кристаллизации влияет и скорость охлажде­ния. Чем выше скорость охлаждения, тем больше возникает центров кри­сталлизации и, следовательно, мельче зерно металла Схема дендритного роста крис­талла

 

Чтобы получить мелкое зерно, созда­ют искусственные центры кристаллиза­ции. Для этого в расплавленный металл .(расплав) вводят специальные вещества,называемые модификаторами.Так, при модифицировании магниевых сплавов зерно уменьшается от 0,2—0,3 до 0,01-0,02 мм, т.е. в 15-20 раз. Моди­фицирование отливок проводят введением в расплав добавок, которые образуют тугоплавкие соединения (кар­биды, оксиды). При модифицирова­нии, например, стали применяют алю­миний, титан, ванадий; алюминиевых сплавов — марганец, титан, ванадий.

Иногда в качестве модификаторов применяют поверхностно-активные вещества. Они растворяются в жидком металле. Эти модификаторы осаждаются на поверхности растущих кри­сталлов, образуя очень тонкий слой. Этот слой препятствует дальнейше­му росту кристаллов, придавая металлу мелкозернистое строение.

Строение металлического слитка. Форма растущих кристаллов определя­ется не только условиями их касания друг с другом, но и составом сплава, наличием примесей и режимом охлаждения. Обычно механизм образова­ния кристаллов носит дендритный (древовидный) характер (рис. 5). Денд­ритная кристаллизация характеризуется тем, что рост зародышей происхо­дит с неравномерной скоростью. После образования зародышей их разви­тие идет в тех плоскостях и направлениях решетки, которые имеют наиболь­шую плотность у паковки атомов и минимальное расстояние между ними. В этих направлениях образуются длинные ветви будущего кристалла — так называемые оси (1) первого порядка (рис. 5). В дальнейшем от осей первого порядка начинают расти новые оси (2) — оси второго порядка, от осей вто­рого порядка- оси (3) - третьего порядка и т.д. По мере кристаллизации образуются оси более высокого порядка, которые постепенно заполняют все промежутки, ранее занятые жидким металлом.

Рассмотрим реальный процесс получения стального слитка. Стальные слитки получают охлаждением в металлических формах (изложницах) или на установках непрерывной разливки. В изложнице сталь не может затвердеть одновременно во всем объеме из-за невозможности создания равномерной скорости отвода тепла. Поэтому процесс кристаллизации стали начинается у холодных стенок и дна изложницы, а затем распрост­раняется внутрь жидкого металла.

 

Схема строения стального слитка:

а - расположение дендритов в наружных частях слитка, б - строение слитка; 1 — стенки изложницы, 2 - мелкие равноосные кристаллы, 3 ~ древовидные кристаллы, 4 - равноосные неориентированные кристаллы больших размеров, 5 - усадочная рыхлость, 6 — усадочная раковина

При соприкосновении жидкого металла со стенками изложницы 1 (рис. 6) в начальный момент образуется зона мелких равноосные кристаллов 2. Так как объем твердого металла меньше жидкого, между стенкой из­ложницы и застывшим металлом образуется воздушная прослойка и сама стенка нагревается от соприкосновения с металлом. Поэтому скорость охлаждения металла снижается, и кристаллы растут в направлении отвода теплоты. При этом образуется зона 3, Состоящая из древовидных или столбчатых кристаллов. Во внутренней зоне слитка 4 образуются равно­осные, неориентированные кристаллы больших размеров в результате замедленного охлаждения.

В верхней части слитка, которая затвердевает в последнюю очередь, образуется усадочная раковина 6 вследствие уменьшения объема металла при охлаждении. Под усадочной раковиной металл в зоне 5 получается рыхлым из-за большого количества усадочных пор. Для получения изде­лий используют только часть слитка, удаляя усадочную раковину и рыхлый металл слитка для последующего переплава.

Слиток имеет неоднородный химический состав, который тем больше, чем крупнее слиток. Например, в стальном слитке концентрация серы и фосфора увеличивается от поверхности к центру и снизу вверх. Химичес­кую неоднородность по отдельным зонам слитка называют зональной лик­вацией. Она отрицательно влияет на механические свойства металла.

Аллотропия металлов. Аллотропией, или полиморфизмом, называют способность металла в твердом состоянии иметь различные, кристаллические формы. Процесс перехода из одной кри­сталлической формы в другую называ­ют аллотропическим превращением. При нагреве чистого металла такое превра­щение сопровождается поглощением тепла и происходит при постоянной температуре, что связано с необходи­мостью затраты определенной энергии на перестройку кристаллической решет­ки. Аллотропические превращения име­ют многие металлы: железо, олово, ти­тан и др. Например, железо в интервале температур 911—1392°С имеет гранецентрированную кубическую решетку (ГКЦ) γ-Fе (рис.7). В интерпалах до 911˚С и от 1392 до 1539˚С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку (ОЦК) — α-Fе. Аллотропические формы металла обозначаются буквами α, β, γ и т. д. Существующая при самой низкой температуре алло­тропическая форма металла обозначается через букву а, которая в виде индекса добавляется к символу химического элемента металла и т. д.

 

Аллотропические превращения в железе.

При аллотропических превращениях происходит изменение свойств металлов — изменение объема металлов (особенно характерно для олова) и растворимости углерода (характерно для железа).

Методы изучения строения металлов. Изучение строения металлов и сплавов производится методами макро- и микроанализа, рентгеновско­го, а также дефектоскопии (рентгеновской, магнитной, ультразвуковой). Методом макроанализа изучается макроструктура, т.е. структура, видимая невооруженным глазом или с помощью лупы, при этом выявля­ются крупные дефекты: трещины, усадочные раковины, газовые пузыри и т. д., а также неравномерность распределения примесей в металле. Макроструктуру определяют по изломам металла, по макрошлифам. Макрошлиф — это образец металла или сплава, одна из сторон которого отшлифована, тщательно обезжирена, протравлена и рассматривается с помощью лупы с увеличением в 5—10^х.

Микроанализ выявляет структуру металла или сплава по микрошлифам, приготовленным так же, как и для макроанализа, но дополнительно от­полированным до зеркального блеска. Шлифы рассматриваются в отраженном свете под оптическим микроскопом при увеличении до 3000^х . Из-за различной ориентировки зерен металла они травятся не в одина­ковой степени и под микроскопом свет также отражается неодинаково. Границы зерен, благодаря примесям, травятся сильнее, чем основной ме­талл, и выявляются более рельефно. В сплаве структурные составляю­щие травятся также различно.

В электронном микроскопе рассматривают реплику — слепок с особо тонкой структуры металла при увеличениях до 100 000^х. Этот важней­ший анализ определяет размеры и форму зерен, структурные составля­ющие, неметаллические включения и их характер — трещины, порис­тость и т. д., качество термической обработки. Зная микроструктуру, можно объяснить причины изменения свойств металла.

С помощью рентгеновского анализа изучают атомную структуру метал­лов, типы и параметры кристаллических решеток, а также дефекты, ле­жащие в глубине. Этот анализ, основанный на дифракции рентгеновских лучей рядами атомов кристаллической решетки, позволяет обнаружить дефекты (пористость, трещины, газовые пузыри, шлаковые включения и т. д.), не разрушая металла. В местах дефектов рентгеновские лучи по­глощаются меньше, чем в сплошном металле, и поэтому на фотопленке такие лучи образуют темные пятна, соответствующие форме дефекта.

Для исследования структуры металла и дефектов изделий широко при­меняют гамма-лучи, которые проникают в изделие набольшую глубину, чем рентгеновские.

Магнитным методом исследуют дефекты в магнитных металлах (сталь, никель и др.) на глубине до 2 мм (трещины различного происхождения, неметаллические включения и т. д.). Для этого испытуемое изделие на­магничивают, покрывают его поверхность порошком железа; осматри­вают его поверхность и размагничивают изделие. Вокруг дефекта обра­зуется неоднородное поле, вследствие чего магнитный порошок повто­ряет очертания дефекта. Другой метод - магнитный индукционный -часто используют для оценки полноты структурных превращений в сплавах (изделиях) после их термической обработки.

Ультразвуковым методом осуществляется эффективный контроль ка­чества металла изделий и заготовок практически любых размеров. В им­пульсных ультразвуковых дефектоскопах ультразвуковая волна от щупа-излучателя распространяется в контролируемом изделии и при встрече с каким-либо дефектом отражается от него. При этом отраженные волны принимаются, усиливаются и передаются на показывающий индикатор. Ультразвук используют для контроля качества роторов, рельсов, поко­вок, проката и других изделий при необходимости сохранения целост­ности изделий.

 

 

3. ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Физические свойства. К физическим свойствам металлов относят цвет, плотность, температуру плавления, теплопроводность, тепловое расши­рение, теплоемкость, электропроводность, магнитные свойства и др.

Цветом называют способность металлов отражать световое излучение с определенной длиной волны. Например, медь имеет розово-красный цвет, алюминий - серебристо-белый.

Плотность металла характеризуется его массой, заключенной в едини­це объема. По плотности все металлы делят на легкие (менее 4500кг/м¹) и тяжелые. Плотность имеет большое значение при создании различных изделий. Например, в самолето- и ракетостроении стремятся использо­вать более легкие металлы и сплавы (алюминиевые, магниевые, титано­вые), что способствует снижению массы изделий.

Температурой плавления называют температуру, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. По температуре плавления различают тугоплавкие металлы (вольфрам 3416°С, тантал 2950°С, титан 1725°С и др.) и легкоплавкие (олово 232°С, свинец 327°С, цинк 419,5°С, алюминий 660°С). Температура плавления имеет большое значение при выборе металлов для изготовления литых изделий, сварных и паяных соединений, термоэлектрических приборов и других изделий. В системе СИ температуру плавления выражают в градусах Кельвина (К).

Теплопроводностью называют способность металлов передавать тепло от более нагретых к менее нагретым участкам тела. Серебро, медь, алюми­ний обладают большой теплопроводностью. Железо имеет теплопровод­ность примерно в три раза меньше, чем алюминий, и в пять раз меньше, чем медь. Теплопроводность имеет большое значение при выборе металла для деталей. Например, если металл плохо проводит тепло, то при нагреве и быстром охлаждении (термическая обработка, сварка) в нем образуются трещины. Некоторые детали машин (поршни двигателей, лопатки турбин) должны быть изготовлены из материалов с хорошей теплопроводностью. В системе СИ теплопроводность имеет размерность Вт/ (м • К).

Тепловым расширением называют способность металлов увеличиваться в размерах при нагревании и уменьшаться при охлаждении. Тепловое расширение характеризуется коэффициентом линейного расширения α =(l2-l1)/[l1(t2-t1)], где l1 и l2 длины тела при температурах t1 и t2. Коэф­фициент объемного расширения равен 3α. Тепловые расширения должны учитываться при сварке, ковке и горячей объемной штамповке, изготов­лении литейных форм, штампов, прокатных валков, калибров, выпол­нении точных соединений и сборке приборов, при строительстве мос­товых ферм, укладке железнодорожных рельсов.

Теплоемкостью называют способность металла при нагревании погло­щать определенное количество тепла. В системе СИ имеет размерность Дж/К. Теплоемкость различных металлов сравнивают по величине удель­ной теплоемкости — количеству тепла, выраженному в больших калориях, которое требуется для повышения температуры 1 кг металла на 1°С (в системе СИ — Дж/(кгК)).

Способность металлов проводить электрический ток оценивают двумя взаимно противоположными характеристиками —электропроводимостью и электросопротивлением. Электрическая проводимость оценивается в системе СИ в сименсах (См), а удельная электропроводимость—в См/м, аналогично электросопротивление выражают в омах (Ом), а удельное электросопротивление - в Ом/м. Хорошая электропроводимость необхо­дима, например, для токонесущих проводов (медь, алюминий). При из­готовлении электронагревательных приборов и печей необходимы сплавы с высоким электросопротивлением (нихром, константан, манга­нин). С повышением температуры металла его электропроводимость уменьшается, а с понижением — увеличивается.

Магнитные свойства характеризуются абсолютной магнитной прони­цаемостью или магнитной постоянной, т. е. способностью металлов на­магничиваться. В системе СИ магнитная постоянная имеет размерность Гн/м. Высокими магнитными свойствами обладают железо, никель, ко­бальт и их сплавы, называемые ферромагнитными. Материалы с магнит­ными свойствами применяют в электротехнической аппаратуре и для из­готовления магнитов.

Химические свойства. Химические свойства характеризуют способность металлов и сплавов сопротивляться окислению или вступать в соедине­ние с различными веществами: кислородом воздуха, растворами кислот, щелочей и др. Чем легче металл вступает в соединение с другими эле­ментами, тем быстрее он разрушается. Химическое разрушение метал­лов под действием на их поверхность внешней агрессивной среды назы­вают коррозией.

Металлы, стойкие к окислению при сильном нагреве, называют жаро­стойкими или окалиностойкими. Такие металлы применяют для изготов­ления деталей, которые эксплуатируются в зоне высоких температур.

Сопротивление металлов коррозии, окалинообразованию и растворе­нию определяют по изменению массы испытуемых образцов на единицу поверхности за единицу времени.

Химические свойства металлов обязательно учитываются при изготов­лении тех или иных изделий. Особенно это относится к изделиям или деталям, работающим в химически агрессивных средах.