2.4 Плавлення та кристалізація металів

(Навчальний елемент № 9)

Цілі

Засвоївши даний навчальний елемент, студент повинен володіти технічною інформацією щодо:

• визначення процесу кристалізації металів;

• умов росту кристалів залежно від швидкості охолодження;

• дендритної кристалізації за умов прискореного охолодження;

• регулювання розмірів зерен за рахунок штучного введення в розплавлений метал речовин, які утворюють центри кристалізації.

1. П роцес кристалізації – це процес утворення кристалів. Доки метал знаходиться в рідкому стані, атоми перебувають у стані безперервного руху. При наближенні до температури затвердіння ще в рідкому стані атоми в окремих місцях розташовуються в просторі так само, як і в кристалічних решітках, утворюючи атомно-кристалічні групи. Деякі з таких груп можуть служити центрами кристалізації. Від них починається ріст кристалів шляхом нарощування по гранях атомних шарів.

2. П ри сталій швидкості кристалізації і сталій швидкості зародження центрів кристалізації в перший момент кристали ростуть вільно, зберігаючи правильну геометричну форму.

3. А ле це відбувається лише до моменту зустрічі двох зростаючих кристалів. В тому місці, де вони зустрінуться, ріст припиниться. Тепер кожний кристал буде рости лише в тому напрямку, в якому йому не перешкоджає поруч розташований кристал. За цих умов правильна геометрична форма кристала не зберігається. Такі кристали, що мають неправильну геометричну форму, називають зернами.

4. О днак такі умови утворення росту кристалів спостерігаються лише за дуже повільного охолодження. За умов прискореного охолодження, що мають місце в більшості випадків практичної кристалізації металів, механізм утворення кристалів зерен носить інший характер, так званий дендритний (dendrite).

5. Дендритна (скелетоподібна) кристалі-зація полягає в тому, що ріст зародків відбувається з нерівномірною швидкістю в усі боки. Після утворення зародків їх розвиток відбувається головним чином у напрямках, в яких швидкість росту максимальна. У цих напрямках утворюється немов би стовбур майбутнього кристала, так звані осі (гілки) першого порядку. Ріст цього стовбура або осі першого порядку відбувається шляхом кристалізації на ньому все нових і нових атомних шарів із рідини.

6. Збільшення осей першого порядку відбувається, звичайно, не лише вздовж, одночасно вони розростаються і в боки, внаслідок чого вони товстіші біля основи і тонші біля вістрія.

7. Далі від цих осей першого порядку, під певними кутами, ростуть нові осі, які називають осями другого порядку, від гілок другого порядку починають рости гілки третього порядку і т. д.

8. О днак в міру кристалізації утворюються гілки все більш високого порядку (четвертого, п’ятого, шостого і т. д.), які поступово заповнюють усі проміжки, раніш заповнені рідким металом.

9. Ч им більше число центрів кристалізації (зачатків) утворюється в даному об’ємі, тим більше буде число зерен, але кожне наступне зерно буде менше. Чим швидше ростуть ці зародки, тобто чим більша швидкість росту кристалів, тим менше буде число зерен, а кожне зерно буде більш крупним.

10. О днак слід зазначити, що можливість регулювання швидкості охолодження в процесі кристалізації, дуже обмежена. З метою регулювання розмірів зерен широко використовують штучне введення в розплавлений метал речовин, які утворюють центри кристалізації. Штучне введення в рідкий метал тугоплавких дрібних частинок, що служать додатковими центрами кристалізації, є найбільш прогресивним дійовим методом регулювання розмірів зерен, їх форми, а отже, і властивостей металів і сплавів. Так, наприклад, чим дрібніше зерно, тим кращі механічні властивості має метал і навпаки.

11. Процес штучного регулювання розмірів і форми зерен одержав назву модифікування. Речовини, які вводять у розплав з метою регулювання розмірів зерен, називають модифікаторами. Якщо ж перед кристалізацією ввести у сталь дуже малу кількість алюмінію (0,05 – 0,07%), то він сполучаючись із киснем, який є у сталі, утворює окис алюмінію Al₂O₃ , температура плавлення якого дорівнює 2050 ^оС . Отже, коли сталь перебуває ще в рідкому стані, при 1600 – 1700 ^оС, тверді частинки Al₂O₃ опиняться розсіяними по всьому об’єму рідкої сталі. У момент затвердіння сталі частинки Al₂O₃ відіграють роль центрів кристалізації, що приведуть до утворення дрібних зерен.

12. О днорідне тіло (кристал) у різних напрямках має неоднакові фізичні властивості (анізотропія). Теплопровідність, електропровідність, міцність та інші властивості теж у різних напрямках неоднакові. Анізотропія кристалів поясняється тим, що в них у різних напрямках на одиницю довжини припадає неоднакова кількість атомів. Однаково метали є полікристалічними, які складаються із великої кількості дрібних монокристалів, безладно розміщених один відносно одного.