Розділ 2.2 кристалізація металів

Будь-яка речовина може перебувати у трьох агрегатних ста­нах: твердому, рідкому або газоподібному. Якщо тиск сталий, то перехід від одного стану до іншого в чистих металах відбува­ється при певній температурі. Наприклад, метал із твердого

стану переходить у рідкий при температурі плавлення, а з рідко­го стану — у газоподібний при температурі кипіння. На особли­ву увагу в металознавстві заслуговує кристалізація, оскільки тоді формується та або інша структура.

Кристалізацією називається перехід металу від рідкого до твердого стану з утворенням кристалічної структури. Величи­на, форма й напрям орієнтації кристалів у металевому виробі помітно впливають на його експлуатаційні характеристики. Вивчення закономірностей процесу кристалізації дає змогу на­бути необхідних знань і досвіду, які використовують для оптимізації структури та властивостей металів і їх сплавів.

2.2.1. Енергетичні умови процесу кристалізації

Перехід металу від одного стану до іншого, зокрема від рід­кого до кристалічного, можливий за умови, що кристалічний стан має менший рівень вільної енергії G порівняно з рідким. Зі зміною зовнішніх умов, наприклад температури, вільна енер­гія системи змінюється за складними законами, різними для рідкого й твердого (кристалічного) станів.

Вільна енергія — це та частина внутрішньої енергії, яка може бути перетворена в роботу. Під час підвищення температури вільна енергія рідкого і твердого станів зменшується. Схематично зміну вільної енергії G рідкого й твердого станів залежно від температури t зображено на рис. 2.2.1. При температурі t_s віль­ні енергії обох станів однакові. Це означає, що температура t_s

відповідає рівноважній або теоретичній температурі кристалі­зації (плавлення) досліджуваного металу, оскільки при цій тем­пературі маємо однакові енергетичні умови для співіснування твердого та рідкого станів. Вище від температури t_s меншу вільну енергію має рідкий метал, а нижче від t_s — твердий.

Як уже зазначалось вище, для розвитку кристалізації необ­хідно, щоб цей процес був термодинамічно вигідний, тобто щоб супроводжувався зменшенням вільної енергії того стану, який виник. Таким чином, процес кристалізації відбувається лише тоді, коли рідкий метал буде охолоджений до температури t_K, нижчої від t_s. У цьому випадку існує різниця AG вільної енергії рідкого G_P і твердого G_T станів:

AG = G_P - G_T. (2.2.1)

Охолодження рідини до температури, нижчої від рівноваж­ної, називається переохолодженням, а різниця між теоретич­ною та фактичною температурами кристалізації металу — сту­пенем переохолодження At:

At = t_s- t_K. (2.2.2)

Аналогічно можна показати, що оборотний перехід із крис­талічного стану в рідкий відбудеться при температурі, вищій від t_s (явище перегрівання). Фактичну температуру кристаліза­ції t_K у конкретних умовах легко визначають термічним аналі­зом, суть якого зводиться до побудови графіка, названого кри­вою охолодження в координатах температура t — час т.

Для цього необхідні нагрівальна піч 2 (рис. 2.2.2), тигель 1 із досліджуваним металом З, прилади для вимірювання темпе­ратури і часу. Температуру металу звичайно вимірюють термо­електричним пірометром, що складається із термопари 4 і га­льванометра 10. Тигель вставляють у піч, де метал нагрівають до рідкого стану. Гарячий спай термопари, захищений порце­ляновою або кварцевою оболонкою 6, занурюють у метал. Хо­лодні кінці термопари з'єднують проводами 5 і 7 з гальваноме­тром. Величина струму, що пробігає від термопари до гальвано­метра, пропорційна різниці температур гарячого й холодного кінців термопари. Для зручності користування шкалу гальва­нометра градуюють у градусах Цельсія.

Рис. 2.2.2. Схема установки для дослідження процесу кристалізації металів

методом термічного аналізу:

І _ тигель; 2 — піч; 3 — розплавлений метал; 4 — термопара; 5,7 — провід;

в — оболонка; 8 — шкала гальванометра; 9 - стрілка; 10 - гальванометр

Розплавлений метал охолоджують і на самописі реєструють зміну температури в часі. Отримана крива охолодження (рис. 2.2.3) засвідчує, що температура плавно знижується до точки 1. Починаючи від точки 1 (початок кристалізації) спад темпе­ратури стабілізується у зв'язку з виділенням прихованої тепло­ти кристалізації. Після переходу всього рідкого металу в крис­талічний стан (точка 2) припиняється виділення прихованої теплоти кристалізації і знову настає плавне зниження темпера­тури аж до кімнатної.

Аналіз кривих охолодження чистих металів свідчить, що під час дуже повільного охолодження зі швидкістю Uj ступінь переохолодження Д«, невеликий і кристалізація відбувається при температурі, близькій до рівноважної t_s. За більших швидкостей охолодження и₂, v₃ ступінь переохолодження Д*„

At₃ зростає і температура кристалізації металу помітніше відрі­зняється від рівноважної. Звичайно ступінь переохолодження At не перевищує 10...ЗО °С і залежить від природи та чистоти металу. Що чистіший метал, то більша його схильність до переохолодження.