1. Балқымалардан металдардың кристалдану процесінің механизмі мен кинетикасы

При застывании расплавленного металла можно выделить два одновременно протекающих процесса. Это: образование центров кристаллизации (процесс, требующий некоторого переохлаждения), и рост кристаллов.

Скорость процесса кристаллизации зависит от скорости протекания обоих процессов, в то же время скорость процесса роста кристаллов зависит от скорости образования центров кристаллизации. С увеличением интервала переохлаждения наблюдается увеличение скорости образования центров кри-сталлов (рисунок 8). До некоторого предела увеличивается и скорость роста кристаллов. Однако, при некотором переохлаждении наступает уменьшение скорости кристаллов. В случае сильного переохлаждения будут получаться мелкие кристаллы. Возможно даже отсутствие кристаллизации. В этом случае будут получены аморфные металлы. При небольшом переохлаждении получаются крупные кристаллы. Так получают монокристаллы

Строение и кристаллизация металлов.

Металлы и сплавы в твердом состоянии имеют поликристаллическую структуру, состоящую из отдельных зерен – монокристаллических областей, ориентированных относительно друг друга под различными углами. На границе между зернами атомы имеют менее правильное расположение, чем в объеме зерна. Линейный размер зерен составляет 1–10⁴ мкм.

С помощью рентгеноструктурного анализа установлено, что кристаллическое строение твердых тел, состоящих из различных атомов, описывается 14 различными типами пространственных элементарных ячеек.

Наиболее широко применяются металлы и сплавы, образованные одним из 3-х типов пространственных решеток, определяемых отдельно взятой элементарной ячейкой (рис.1):

– кубической объемно центрированной ОЦК (a–Fe, b–Fe, d–Fe, Cr, W, Mo, V и др.);

– кубической гранецентрированной ГЦК (g–Fe, Cu, Al, Ni, Pb и др.);

– гексагональной плотноупакованной ГПУ (Ti, Mg, Zn, Be и др.).

a б в

Рисунок 1 – Атомно-кристаллическое строение металлов с кубической объемно центрированной (а); гранецентрированной (б) и гексагональной плотноупакованной (в) элементарными ячейками

Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией. Подвижность атомов при снижении температуры уменьшается, устанавливается определенный порядок в их расположении с образованием отдельных групп атомов, близких к элементарным ячейкам, имеющимся в твердом металле. Возникают центры кристаллизации – зародыши, вокруг которых постепенно образуется твердая фаза. Кристаллизация происходит вследствие перехода к более устойчивому состоянию с меньшей свободной энергией.

Когда жидкий металл остывает, температура его снижается, что приводит к высвобождению энергии. Температура является характеристикой суммарной тепловой энергии расплава и связана с кинетической энергией молекул. При охлаждении расплава интенсивность теплового движения молекул снижается. Характеристикой данной энергии является удельная теплоемкость, выражаемая, например, в кДж/(кг∙^оС).

Когда расплав достигает температуры, называемой температурой ликвидус, связи между атомами на макроуровне заметно упрочняются. До тех пор, пока жидкая фаза не превратится в твердую, выделяется повышенное количество энергии. Энергия, выделяющаяся на этой стадии, называется скрытой теплотой плавления, энтальпией плавления или просто скрытой теплотой. Температура остается постоянной до окончания процесса фазового перехода. Скрытая теплота измеряется в кДж/кг. Температура, при которой металл или выделившаяся фаза полностью затвердевают, называется температурой солидус.

Для чистых металлов температуры ликвидус и солидус совпадают. Сплавы обычно кристаллизуются в некотором интервале температур, называемом интервалом кристаллизации.

Процесс кристаллизации характеризуют кривыми охлаждения или нагревания, изображенными в координатах температура – время. На рисунке 2 изображены кривые охлаждения металла и двухкомпонентного сплава.

При охлаждении расплавленного чистого металла вначале (участок 1 – 2 рисунок 2,а) понижение температуры идет плавно.

При достижении температуры кристаллизации на кривой охлаждения (рис. 2,а) появляется горизонтальный участок 2 – 3, так как отвод тепла в окружающую среду компенсируется выделяющейся скрытой теплотой кристаллизации.

После окончания кристаллизации температура вновь понижается равномерно (участок 3 – 4 рис. 2, а).

При охлаждении из жидкого состояния сплава двух металлов процесс кристаллизации протекает несколько иначе (рис. 2, б).

а б

Рисунок 2 – Кривые охлаждения металла (а) и двухкомпонентного сплава (б)

Точка 2 соответствует началу выделения из жидкой фазы кристаллов одного из компонентов сплава. Выделяющаяся при кристаллизации теплота замедляет ход кривой охлаждения, и в точке 2 кривая изменяет наклон (участок 2 – 3). Выпадение кристаллов избыточного компонента и равномерное понижение температуры происходят, пока сплав не достигнет определенного состава. В дальнейшем наблюдается одновременная кристаллизация компонентов, происходящая при постоянной температуре (участок 3 – 4 рис. 2,б). После полного затвердевания сплава в точке 4 его температура снова начинает снижаться по плавной кривой 4 – 5.

Температура, соответствующая каким-либо фазовым превращениям в металле или сплаве, называется критической точкой.

При нагревании твердых металлов или сплавов процесс их расплавления сопровождается поглощением теплоты.