§ 2. Кристаллизация металлов и сплавов

Все металлы и сплавы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение.

В расплавленном металле при высоких температурах атомы (ионы) на­ходятся в беспорядочном движении, а при переходе металла в твердое со­стояние они ориентируются определенным образом в пространстве, образуя так называемую кристаллическую решетку. Атомы (ионы) в кристаллической решетке находятся в состоянии равновесия и совершают колебания вокруг узла кристаллической решетки. Строение решетки и расположение в ней атомов зависят от природы металла.

Наиболее распространенными типами кристаллической решетки явля­ются центрированный куб (фиг. 1, а), куб с центрированными гранями (фиг. 1, б) и гексагональная решетка (фиг. 1, в). Расстояние между ато­мами в кристаллической решетке называется параметром решетки и изме­ряется в ангстремах (10⁸ см). Некоторые металлы, например железо, в твердом состоянии при различных температурах могут иметь либо различ­ное строение кристаллической решетки, либо различный параметр при оди­наковой форме строения решетки. Изменения строения или параметра кристаллической решетки всегда приводят к изменениям физико-химиче­ских свойств металла. Процесс перестройки атомов одного вида пространственной решетки в другой, или значительное изменение параметра ре­шетки при определенных температурах, называют аллотропическим пре­вращением. Железо имеет следующие аллотропические превращения: при температуре 1539° образуется кристаллическая решетка в виде центрированного куба с параметром решетки 2,93 А (ангстрема) и носит назва­ние -железа. При температуре 1400° образуется кристаллическая решетка в виде куба с центрированными гранями и параметр решетки 3,66 А; это железо называется железом, оно не магнитно и растворяет углерод. При температуре 910° образуется кристаллическая решетка в виде центрированного куба с параметром решетки 2,9 А. Железо это также не ­магнитно, оно называется - железом или немагнитным -железом,

При температурах ниже 768° немагнитное -железо переходит в магнит­ное -железо (что не является аллотропическим превращением); -железо растворяет углерод в незначительном количестве.

Фиг. 1. Основные типы кристаллических решеток чистых металлов

и сплавов:

а — центрированный куб; б — куб с центрированными гранями; a — гексагональная; г — химического соединения; д — твердый раствор замещения; е — твердый раствор

внедрения.

Строение металлических сплавов. Сплавы состоят из двух шли большего числа химических элементов, которые могут быть как метал­лами, так и металлоидами. Входящие в сплав элементы называют компо­нентами сплава. В зависимости от количества составляющих сплавы могут; быть двух, трех, четырех компонентными и т. д. Кроме основных компонен­тов, в технических сплавах всегда присутствуют в небольших количествах другие элементы, называемые примесями. Примеси попадают в сплавы или при получении металла из руды, или при его последующей переплавке. Примеси могут или улучшать, или ухудшать свойства сплава и в соответ­ствии с этим подразделяются на полезные и вредные.

Компоненты в твердом сплаве могут образовывать механическую смесь кристаллов исходных элементов, могут находиться в виде химического соединения друг с другом и, наконец, могут быть в виде так называемого твердого раствора.

Механическая смесь по структуре не является однородным телом, и отдельные входящие в состав сплава компоненты могут быть различимы невооруженным глазом или при достаточном увеличении под микроскопом; в виде самостоятельных отдельных кристаллов.

Химическое соединение по строению является однородным твердым кристаллическим телом, содержащим элементы в точно определенном весо­вом отношении. В сплавах химические соединения образуют свою кристал­лическую решетку, отличную от кристаллических решеток исходных компонентов;

Твердый раствор представляет собой однородное твердое тело, и вхо­дящие в его состав элементы не различимы: под микроскопом даже при, самых больших (доступных) увеличениях.

Элементы могут входить в решетку твердого раствора в произвольных весовых отношениях (в неограниченных или частично ограниченных пре­делах). Различают два основных вида твердых растворов; твердые растворы замещения (фиг. 1,г) и твердые растворы внедрения (фиг 1, д) В твердых растворах замещения атомы растворенного компонента замещают и решетке атомы растворителя. В твердых растворах внедрения атомы растворенного элемента размещаются между атомами растворителя.

Свойства сплава зависят не только от его химического состава, но также и от характера кристаллов, сложившихся в процессе кристаллизации и последующего охлаждения сплава. При одинаковом среднем химическом составе сплава кристаллы могут иметь различный состав, а также могут раз­личаться по размеру, форме, взаимной ориентировке и характеру взаимосвязи компонентов. Наблюдаемое кристалли­ческое строение металла или сплава называется его структурой.

Структура металла, образующаяся в процессе кристаллизации, зависит от характера этого процесса.

Кристаллизация сплава начинается у поверхности слитка (фиг. 2), соприкасающегося с формой. Кристаллы образуются вокруг центров кристаллизации Такими центрами являются группы элементарных кристаллических решеток, расположения дендритов шлаковые и неметаллические включения. Развитие кристалла связано с образованием новых кристаллических решеток вокруг уже образовавшихся центров и протекает неодинаково в разных направлениях (фиг 2) Наибольшую скорость роста можно наблюдать в направлении теплового потока.

В процессе кристаллизации при свободном развитии кристаллы при­обретают древовидную или так называемую дендритную форму Так как этот процесс возникает одновременно из многих центров кристаллизации, то естественно, что на определенной стадии развития соседние дендриты ограничивают рост друг друга, и в результате образуются кристаллы (зерна) с неправильными внешними очертаниями Следовательно, зерно является комплексом одинаково ориентированных кристаллических решеток, а поликристалл — комплексом различно ориентированных кристаллов (зерен).

Мелкозернистый металл отличается обычно более высокой прочностью.

Схема образования зернистой структуры требует некоторых практических замечаний Переход из жидкого состояния в твердое сопровождается уменьшением удельного объема металла, что вызывает явление усадки. Процесс кристаллизации заканчивается в пограничной зоне между от дельными кристаллами, и, естественно, в этом пространстве должны образоваться микроскопические пустоты от усадки Кроме того, всякий технически чистый металл всегда содержит некоторое количество примесей, плохо растворяющихся в жидком металле. При кристаллизации примеси, имеющие более низкую температуру плавления, располагаются в основ ном по границам зерен. Таким образом, по границам зерен кристаллов располагаются микро пустоты и посторонние включения (сульфиды, фосфиды и пр.)

Фмг.2 Схемы расположения дендридов на наружных и внутренних частях слитка.

ГЛАВА

ДИАГРАММЫ Состояния

Диаграммой состояния называется графическое изображение, показы­вающее в условиях равновесия фазовый состав сплавов в зависимости от температуры и концентрации, а также структуру сплава.