9. Металл.

   1. Основные понятия и законы теории кристаллизации металлов и сплавов.

Переход из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называют кристаллизацией. Процессы кристаллизации зависят от температуры и протекают во времени, поэтому кривые охлаждения строятся в координатах температура – время.

Процесс кристаллизации начинается с зарождения мелких кристалликов – зародышей кристаллизации. Зарождение носит случайный характер. Другими словами, возникновение кристалла может произойти в любой части объема жидкости. Одновременно зарождается не один, а несколько кристаллов (в некоторых случаях множество). Скорость зарождения – это число кристалликов, появляющихся в единице объема в единицу времени.

Образованные кристаллики растут за счет присоединения атомов из жидкости. При этом грань растущего кристалла перемещается в сторону жидкой фазы. Линейная скорость перемещения грани растущего кристалла называется скоростью роста кристалла.

Процесс кристаллизации состоит из двух стадий: зарождения кристаллов (зародышей или центров кристаллизации) и роста кристаллов из этих центров. При переохлаждении сплава на многих участках жидкого металла (рис. а, б) образуются способные к росту кристаллические зародыши. Сначала образовавшиеся кристаллы растут свободно и имеют более или менее правильную геометрическую форму (рис. в, г, д). Затем при соприкосновении растущих кристаллов их правильная форма нарушается, так как в этих участках рост граней прекращается. Рост кристалла продолжается только в тех направлениях, где есть свободный доступ жидкого металла. В результате кристаллы, имевшие сначала геометрически правильную форму, их называют кристаллитами или зернами (рис. е).

Величина зерен зависит от числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов. Чем больше центров кристаллизации, тем мельче зерно металла.

Величина зерен, образующихся при кристаллизации, зависти не только от количества самопроизвольно зарождающихся центров кристаллизации, но также и от количества нерастворимых примесей, всегда имеющихся в жидком металле. Такие нерастворимые примеси являются готовыми центрами кристаллизации.

На образование центров кристаллизации влияет и скорость охлаждения. Чем выше скорость охлаждения, тем больше возникает центров кристаллизации и, следовательно, мельче зерно металла.

Строение металлического слитка.

Форма растущих кристаллов определяется не только условиями их касания друг другом, но и составом сплава, наличием примесей и режимом охлаждения. Обычно механизм образования кристаллов носит дендритный (древовидный) характер. Дендритная кристаллизация характеризуется тем, что рост зародышей происходит с неравномерной скоростью. После образования зародышей их развитие идет в тех плоскостях и направлениях решетки, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов и минимальное расстояние между ними.

2. Зарождение кристаллов. Рост кристаллов. Воздействие примесей. Модификаторы.

Кристаллизацией (первичной) называют процесс перехода металла из жидкого состояния в твердое. Движущей силой процесса является стремлением системы (сплава) к более термодинамически устойчивому состоянию, характеризуемому понижению свободной энергией (энергией Гиббса).

Кристаллизация чистого металла происходит при постоянной температуре, причем чем выше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждения.

Процесс кристаллизации начинается с образования кристаллических зародышей (центров кристаллизации) и продолжается в процессе роста их числа и размеров.

При переохлаждении сплава ниже температуры плавления во многих участках жидкого сплава образуются устойчивые, способные к росту кристаллические зародыши, называемые критическими.

Пока образовавшиеся кристаллы растут свободно, они имеют более или менее правильную геометрическую форму. Однако при столкновении растущих кристаллов их правильная форма нарушается, так как в этих участках рост граней прекращается. Рост продолжается только в тех направлениях, где есть свободный доступ «питающей» жидкости. В результате растущие кристаллы, имевшие сначала геометрически правильную форму, после затвердевания получают неправильную внешнюю форму и поэтому называются кристаллитами, или зернами.

Рост кристаллов. Характеризуется скоростью роста линейных размеров кристалла. Однородный материал при его охлаждении ниже температуры плавления находится определенное время в жидком состоянии, но оно является метастабильным (неравновесным).

Величина зерна. Чем больше скорость образования зародышей и меньше скорость их роста, тем меньше скорость их роста, тем меньше размер кристалла, выросшего из одного зародыша (зерно) и, следовательно, более мелкозернистой будет структура металла.

При небольшой степени переохлаждения (малой скорости охлаждения) число зародышей мало. В этих условиях будет получено крупное зерно. С увеличением степени переохлаждения скорость образования зародышей возрастает и размер зерна в затвердевшем металле уменьшается.

Размер зерна металла сильно влияет на его механические свойства. Эти свойства, особенно вязкость и пластичность, выше, если металл имеет мелкое зерно. Величина зерна зависит не только от степени переохлаждения. На размер зерна оказывают влияние: температура нагрева и разливки жидкого металла, его химический состав и особенно присутствие в нем посторонних примесей. Влияние этих факторов очень велико.

Гетерогенное образование зародышей. Образование зародышей в жидком металле по описанному механизму называется самопроизвольным (или спонтанным). Самопроизвольное образование зародышей на основе фазовых и энергетических флуктуаций может происходить только в высокочистом жидком металле.

В технических металлов всегда присутствует большое количества различных примесей (окислов, неметаллических включений и т. д.), которые при определенных условиях облегчают образование зародышей: эти условия можно сформулировать следующим образом:

1) примесь должна иметь более высокую температуру плавления, чем основной металл;

2) поверхностное натяжение на границе раздела между посторонним включением и зародышем должно быть меньше поверхностного натяжения на границе раздела между возникающим зародышем металла и жидким металлом.

Чем больше примесей, тем больше центров кристаллизации, тем меньше получается зерно. Такое образование зародышей называют гетерогенным.

Процесс кристаллизации обычно начинается от стенок формы, которые играют ту же роль, что и включения.

Перегрев металла значительно выше его температуры плавления, способствует образованию крупного зерна. Это объясняется растворением и дезактивацией примесей, которые могли играть роль готовых поверхностей раздела при кристаллизации. Подсуживание перегретого металла до более низких температур и выдержка при этих температурах приводит к выделению из жидкого металла растворенных примесей, которые вновь могут стать активными зародышами. В этом случае зерно металла будет мелкое.

Модифицирование – использование специально вводимых в жидкий металл примесей (модификаторов) для получения мелкого зерна. Эти примеси, практически не изменяя химического состава сплава, вызывают при кристаллизации измельчения зерна и в итоге улучшение механических свойств.