1.6 Форма кристаллов. Строение металлического слитка

Как правило, возникший в жидкости кристалл растёт в первую очередь в направлении минимального расстояния между атомами. Таким образом, в первую очередь вырастают оси первого порядка. Одновременно под определённым углом к оси первого порядка начинают расти оси второго порядка, от которых растут оси третьего порядка и т.д. [6, рис.10]. В итоге вырастают кристаллы древовидной формы, получившие название дендритов. В зависимости от скорости охлаждения и условий теплоотвода их размеры и форма могут быть различны (могут быть равноосными или столбчатыми).

Металлический слиток образуется при кристаллизации металла в изложнице. Как правило, структура литого слитка состоит из трёх основных зон [6, рис.11].

1 – поверхностный слой равноосных кристаллов, образованных в условиях высокой скорости охлаждения металла при соприкосновении жидкого металла с холодными стенками изложницы.

2 – зона столбчатых кристаллов с развитой осью первого порядка (транскристаллитов), образованных в условиях пониженной скорости охлаждения и перпендикулярном стенкам изложницы теплоотводе.

3 – зона крупных неориентированных равноосных кристаллов, образованных в условиях наименьшей скорости охлаждения и ненаправленного теплоотвода.

В верхней части слитка расположена концентрированная усадочная раковина – полость, не заполненная металлом, образованная вследствие объёмной усадки металла при кристаллизации 4.

Также вследствие объёмной усадки по оси слитка образуется рыхлость. В слитке под усадочной раковиной и в донной части наблюдается заметное повышение содержания примесей: C, S, Р (ликвирующих). Это приводит к падению механических свойств.

1.7 Строение сплавов

В технике чаще применяются не металлы, а металлические сплавы, так как они имеют лучший комплекс свойств по сравнению с металлом. Сплавы получают сплавлением элементов, спеканием (порошковая металлургия), диффузией.

Металлический сплав – сложная система на основе металла. Сплавы содержат два и более компонентов.

Фазой сплава называется однородная часть сплава, отделенная от других границей раздела, при переходе через которую состав или структура резко изменяются. Меняются и свойства. Металл в жидком состоянии представляет собой однородную фазу. То же касается и сплавов. При кристаллизации металла образуется новая твердая фаза. При этом металл находится в двухфазном состоянии – в жидком и твердом. В сплаве твердой фазой могут быть зерна чистого металла, твердого раствора, химического соединения.

В расплавленном состоянии многие металлы неограниченно растворимы друг в друге. При кристаллизации компоненты сплава могут иметь различный тип взаимодействия, что определяет образование различных видов сплавов. Различают три основных вида сплавов, образующихся при кристаллизации двух компонентов.

1. Механические смеси

2. Твердые растворы

3. Химические соединения

Механические смеси образуются, если компоненты растворимы в жидком и практически нерастворимы в твердом состоянии. Строение этих сплавов неоднородное – двухфазное. Такой сплав имеет два типа кристаллической решетки: решетку компонента А и решетку компонента В. Такие сплавы образуют элементы, значительно отличающиеся по свойствам.

Твердые растворы образуются в случае взаимной растворимости компонентов как в жидком так и в твердом состоянии. При этом один компонент (которого больше) сохраняет свою кристаллическую решетку, второй компонент в виде отдельных атомов располагается в решетке первого. Первый компонент называется растворителем, второй – растворимым.

Твердые растворы имеют однородное (однофазное) строение с решеткой растворителя.

Различают твердые растворы внедрения и замещения. В первом случае атомы растворимого проникают в межузельное пространство решетки растворителя.

Эти сплавы образуют металл с неметаллами, имеющими малые атомные радиусы (H, N, C, B). Эти элементы образуют ограниченные растворы, не превышающие 1…2%.

В твердых растворах замещения атомы растворимого располагаются в узлах решетки растворителя, замещая его атомы. Эти растворы могут быть как неограниченной растворимости, так и ограниченной. Неограниченные твёрдые растворы образуют изоморфные компоненты (имеющие близкие по типу и параметрам кристаллические решётки), атомные радиусы которых отличаются не более чем на 8…15%.

Растворимое занимает, как правило, произвольные места в узлах решетки растворителя, образуя неупорядоченные твердые растворы. В то же время при снижении температуры может наблюдаться перераспределение атомов растворимого с образованием упорядоченных твердых растворов. Структура таких растворов называется сверхструктурой, и они рассматриваются как промежуточные между твердыми растворами и химическими соединениями.

Химические соединения образуются в случае химического взаимодействия компонентов при кристаллизации. При этом строго определенное число атомов компонента А взаимодействует химически с определенным числом атомов компонента В, образуя одно химическое соединение типа

A _nB _m.

Химические соединения имеют ряд особенностей:

1. соединение имеет свой тип кристаллической решетки, отличной от решеток компонентов;

2. свойства соединений отличны от свойств компонентов;

3. разложение соединения (диссоциация) происходит при постоянной температуре.

Кроме названных типов сплавов, существуют еще множество промежуточных фаз сплавов, которые не могут быть полностью отнесены ни к одному из названных типов.

Исследование сплавов производится на основе диаграмм состояния сплавов.