Процес кристалізації чистого металу:

До крапки 1 охолоджується метал в рідкому стані, процес супроводжується плавним пониженням температури. На ділянці 1 – 2 йде процес кристалізації, що супроводжується виділенням тепла, яке називається прихованою теплотою кристалізації. Воно компенсує розсіювання теплоти в простір, і тому температура залишається постійною. Після закінчення кристалізації в крапці 2 температура знову починає знижуватися, метал охолоджується в твердому стані.

При відповідному пониженні температури в рідкому металі починають утворюватися кристали – центри кристалізації або зародки. Для початку їх зростання необхідне зменшення вільної енергії металу, інакше зародок розчиняється.

Мінімальний розмір здібного до зростання зародка називається критичним розміром, а зародок – стійким.

6 Перехід з рідкого стану в кристалічне вимагає витрати енергії на утворення поверхні розділу рідина – кристал. Процес кристалізації здійснюватиметься, коли виграш від переходу в твердий стан більше втрати енергії на утворення поверхні розділу. Залежність енергії системи від розміру зародка твердої фази представлена на рисунку 7.

Зародки з розмірами рівними і великими критичного ростуть із зменшенням енергії і тому здібні до існування.

Рисунок 7 -Залежність енергії системи від розміру зародка твердої фази

 

Механізм кристалізації представлений на рисунку 8.

Рисунок 8 - Модель процесу кристалізації

 

Центри кристалізації утворюються в початковій фазі незалежно один від одного у випадкових місцях. Спочатку кристали мають правильну форму, але у міру зіткнення і зрощення з іншими кристалами форма порушується. Зростання продовжується в напрямах, де є вільний доступ живлячого середовища. Після закінчення кристалізації маємо полікристалічне тіло.

Таким чином, процес кристалізації складається з утворення центрів кристалізації і зростання кристалів з цих центрів.

Обидві стадії у різних місцях розплаву можуть відбуватись одночасно. Розрізняють два механізми зародження кристалів:

гомогенний, коли центри кристалізації ви­никають у однорідній рідині;

гетерогенний, коли центрами кристалізації стають тверді чужорідні частинки, наприклад, оксиди чи нітриди, розсіяні в рідкому металі.

Ріст кристалу зводиться до поступового збільшення розмі­рів зародка через приєднання нових атомів, що надходять із рідкого металу. Вільний ріст триває до моменту стикання з су­сідніми кристалами. У місцях стикання ріст припиняється, але він продовжується у тих напрямах, де є вільний доступ рідини. В результаті утворюються кристали, що мають неправильну гео­метричну форму — кристаліти, або зерна.

Результати кристалізації залежать від швидкості зароджен­ня центрів кристалізації ( νк.ц. ) і швидкості їх росту (ν _Р). Швид­кість зародження νк.ц. — це число центрів кристалізації, яке виникає в одиниці об'єму рідини за одиницю часу. Швидкість росту кристалу v_P — це швидкість збільшення його лінійних розмірів (мм) за одиницю часу (мм/с).

У виробничих умовах кристалізація ускладнюється різними факторами, серед яких: температура розливання рідкого мета­лу у форми, його хімічний склад, напрямок потоку відведення тепла, наявність твердих частинок. Перелічені фактори можуть мати істотний вплив на форму та розміри зерен.

7 Поліморфним перетворенням називають зміну кристалі­чної будови залежно від температури та тиску. Перехід до ново­го типу кристалічної ґратки супроводжується зменшенням ві­льної енергії кристалів, що утворюються, порівняно з вихідни­ми кристалами. Велике практичне значення має температурний поліморфізм, тобто наявність у металі різної кристалічної будови в інтервалі певних температур. На кривих охолодження поліморфному перетворенню відповідає горизонтальний відрі­зок сталої температури, завдяки виділенню прихованої теплоти перекристалізації. Близько 30 металів мають два, а іноді й три різні типи елементарних кристалічних комірок. Кристалічну будову, стійку при низьких температурах, позначають грець­кою літерою α, при високих температурах — літерою β, при ще вищих — літерою γ і т.д. Перелічені грецькі літери у вигляді індексів долучають до символу хімічного елемента (наприклад, Fe_α, Fe_γ, Tі_α, Ті_β, Sn_α, Sn_β).

У рівноважному стані залізо має дві температури поліморфно­го перетворення: 911 і 1392 °С. Воно кристалізується при темпе­ратурі 1539 °С (рисунок 9) з утворенням кристалічної комір­ки об'ємноцентрованого куба Fe_α. При температурі 1392 °С вна­слідок вторинної кристалізації об'ємноцентрована ґратка Fe_α переходить у гранецентровану Fe_Y, а при 911 °С— знову в об'ємноцентровану ґратку Fe_α . Критична температура 768 °С не по­в'язана з вторинною кристалізацією, а лише зі змінами в міжелектронній взаємодії, внаслідок чого залізо під час охолодження набуває магнітних властивостей. При температурах, вищих за 768 °С, залізо немагнітне.

Рисунок 9 - Крива охолодження заліза: t — температура;

т — час охолодження

Зміна типу кристалічної будови у твердому стані відбува­ється шляхом зародження центрів нових кристалів і подальшо­го їх росту. Такий процес іноді називають вторинною криста­лізацією на відміну від кристалізації первинної, що відбуваєть­ся у рідині. Під час вторинної кристалізації зародки нових кри­сталів найчастіше виникають на границях зерен старих криста­лів. Під час росту нових кристалів протягом певного часу збері­гається когерентний зв'язок між новою і старою ґратками в площині, де атоми обох ґраток є спільними.

Характерною особливістю вторинної кристалізації є можли­вість досягти значного переохолодження, внаслідок чого вдається практично призупинити перебудову ґратки завдяки зниженню швидкості самодифузії атомів, необхідної для росту нових крис­талів. Збільшуючи переохолодження до граничного значення, можна закріпити термодинамічно нестійкий високотемператур­ний стан і зберегти його протягом тривалого часу при кімнат­ній температурі. Поліморфні перетворення супроводжуються стрибкоподібною зміною властивостей металу і лежать в основі зміцнювальних і знеміцнювальних термообробок.

Різновидом поліморфізму є алотропія, тобто здатність одно­го елемента існувати у вигляді різних простих речовин. При­кладом алотропічного перетворення є перебудова кристалічної ґратки графіту в кристалічну ґратку алмазу при надвисокому тиску і підвищеній температурі.

8 Методи дослідження структури — макро- і мікроскопічний аналіз, рентгеноструктурний аналіз та інші — широко викорис­товують не лише в наукових, але й у заводських лабораторіях, оскільки здебільш існує надійний зв'язок між структурою та властивостями металів. На підставі структурних досліджень і механічних випробовувань можна зробити висновок про при­датність обстежуваного матеріалу для тих чи інших умов екс­плуатації.

Макроскопічний аналіз полягає у дослідженні будови ме­талу неозброєним оком або при невеликих збільшеннях до 30 разів. Будову металу, яку виявляють при цьому, називають ма­кроструктурою. Макроструктуру мо­жна спостерігати на поверхні виробів, на зламах і на шліфах. Макроскопічний аналіз застосовують для виявлення макродефектів: порожнин і тріщин, хімічної та структурної неоднорід­ності металу, форми та розмірів кристалів у литому металі тощо. Перевагою макроаналізу є можливість швидко обстежити дослід­жувану поверхню з метою отримати попередні дані про будову металу. Водночас, внаслідок невеликих збільшень, макроаналіз не дає змоги виявити всі особливості будови металу. На під­ставі даних макроаналізу часто роблять висновок про недоціль­ність застосування технологій, які мають вплив на формування макроструктур, що погіршують механічні властивості металу.

Мікроскопічним аналізом називають дослідження будови металу за допомогою мікроскопа; будова металу, яку вивчають під мікроскопом, є мікроструктурою. Для мікроскопічних досліджень широко використовують оптичні та електронні мікроскопи.

Під час мікроаналізу вивчають тонку будову матеріалу: форму та розміри зерен і фаз у сплаві, їх відносний розподіл, а також виявляють неметалеві вкраплення (оксиди, сульфіди) чи мікродефекти (дислокації, мікропорожнини, мікротріщини). Зокре­ма, за мікроструктурою знаходять в сплаві частку певного хіміч­ного елемента, наприклад Карбону у сталі.

Об'єктом мікроскопічних досліджень є мікрошліф, тобто зразок із шліфованою, полірованою і здебільшого протравле­ною хімічним реактивом поверхнею. Оскільки реактив неодна­ково взаємодіє з різними структурами, то він утворює на відпо­лірованому шліфі характерний мікрорельєф. Зокрема, під час травлення чистих металів або твердих розчинів реактив актив­ніше взаємодіє з границями зерен. При прямому освітленні про­травлені границі зерен найбільше розсіюють світло й мають вигляд темних ліній (рисунок 10а, в). Під час травлення різнофазового сплаву реактив найслабше реагує з хімічно тривкою фазою 2 (рисунок 10 б), менш тривку фазу 1 розчиняє частково і нетривку щодо реактиву фазу З розчиняє найбільше. Тому фаза 3, найсильніше розсіюючи світло, виглядає в окулярі мікроско­па найтемнішою, а фаза 2 — навпаки, найсвітлішою.

За допомогою оптичного металографічного мікроскопа до­сліджують структуру при збільшенні від 50 до 2000 разів, тобто з його допомогою можна розрізнити елементи структури розмі­ром до 0,2 Мкм (200 нм).

Дуже дрібні частинки структури вивчають завдяки елек­тронному мікроскопу, де зображення створюється за допомо­гою швидкого потоку електронів. Відомі прямі й непрямі мето­ди дослідження структури в електронних мікроскопах.

Непрямі методи ґрунтуються на просвічуванні потоком еле­ктронів дуже тонких зліпків — реплік, які виготовляють за спеціальними методиками і які з великою точністю відтворю­ють рельєф поверхні травленого шліфа. На репліках можна спо­стерігати частинки структури розміром до 2...5 нм.

У сканівних (растрових) електронних мікроскопах зображен­ня створює вторинна емісія електронів, що випромінюються поверхнею об'єкта дослідження під дією потоку первинних еле­ктронів (прямі методи дослідження).

Фрактографія — дослідження поверхонь руйнування (зла­мів) візуально або за допомогою оптичного чи електронного мікро­скопів для встановлення зв'язку між структурою металу, умо­вами навантаження, середовищем і механізмами руйнування. Електронний мікроскоп на противагу оптичному забезпечує знач­ну глибину різкості зображення при великих збільшеннях.

Розташування атомів у кристалах і відстані між ними визна­чають шляхом рентгеноструктурного аналізу з використан­ням рентгенівських променів. Характерною особливістю рент­генівських променів є їх дуже мала довжина, внаслідок чого промені, скеровані на кристалічне тіло, не відбиваються поверх­нею, а проникають в нього і спричинюють виникнення розсія­них променів, генерованих збудженими атомами цього тіла. Оскільки атоми в кристалі регулярно розташовані, то розсіяні промені взаємодіють між собою, посилюючи або гасячи один одного. Якщо в напрямку потоку цих променів поставити фото­пластинку, то посилені промені залишать на ній кільцеві пля­ми, розшифровуючи які, можна встановити тип кристалічної комірки і величину її параметрів. Рентгенівськими променями визначають також дефектність, деформацію кристалічної ґрат­ки та орієнтацію зерен.